水電站發(fā)電機(jī)運(yùn)行異常噪聲成因分析

林巧鋒，韋正鵬，張 恒，劉 陽，陳春生

(1.福建華電福瑞能源發(fā)展有限公司福建分公司，福建 福州 350000；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310012；3.峽陽水力發(fā)電廠，福建 南平 353000)

水電站中發(fā)電機(jī)的主要作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，其性能的好壞直接影響著電站的生產(chǎn)效益[1-4]，因此越來越的工程技術(shù)人員與專家對發(fā)電機(jī)展開深入研究。李偉力[5]等人以SF320-48/12800型水輪發(fā)電機(jī)為例，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法研究轉(zhuǎn)子迎風(fēng)面和背風(fēng)面不均勻表面散熱系數(shù)比對電機(jī)轉(zhuǎn)子中部及端部溫度場的影響，以及轉(zhuǎn)子磁極表面的附加損耗對轉(zhuǎn)子溫度場的影響得到了轉(zhuǎn)子溫度場的分布規(guī)規(guī)律，張治忠[6]等人對某水電站發(fā)電機(jī)滑環(huán)原有碳粉吸收裝置進(jìn)行分析，得出該裝置的缺陷并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得裝置在全封閉和大功率環(huán)境下吸塵率達(dá)到99%，有效解決粉塵回收問題，改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，降低了人員工作量。劉健[7]針對龍灘水電站發(fā)電機(jī)軸承甩油原因進(jìn)行分析與論證，并提出相關(guān)解決措施與優(yōu)化方案，在機(jī)組檢修期間按照其措施與優(yōu)化方案進(jìn)行改造，后經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后機(jī)組甩油現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。姜美武[8]等人針對賀社水電站3臺(tái)630 kW水輪發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲過大問題在對其電磁噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測的基礎(chǔ)上就電磁噪聲過大的原因進(jìn)行了分析、研究與判定，并通過電磁計(jì)算，采用改變發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)的辦法徹底解決了定、轉(zhuǎn)子槽的配合不當(dāng)問題將定子固有頻率與磁場的激振力頻率相近引起共振造成的電磁噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。侯俊龍[9]等人通過對某水電站發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出機(jī)組運(yùn)行過程中振動(dòng)大、異響等缺陷的原因，并根據(jù)分析結(jié)論對發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終有效解決了機(jī)組運(yùn)行過程中的缺陷。童鑫紅[10]等人針對G水電站1號(hào)發(fā)電機(jī)較大的噪音和振動(dòng)問題進(jìn)行測試，測試表明噪音中心頻率為630 Hz，機(jī)座徑向振動(dòng)的主要頻率為100 Hz與600 Hz.本文對1號(hào)發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)及高頻噪音問題進(jìn)行成因分析計(jì)算并提出改造方案。王燕青[11]分析機(jī)組產(chǎn)生噪聲的原因后，并提出了相關(guān)降低噪聲的一些具體措施。徐曉生[12]等人分析中小型水電站水輪發(fā)電機(jī)噪聲的類型及產(chǎn)生原因介紹針對這些噪聲的不同降噪措施以及控制噪聲傳播的途徑和方法，通過實(shí)測數(shù)據(jù)說明不同降噪措施有顯著的效果。

本文針對峽陽水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的異常噪聲現(xiàn)象，采用現(xiàn)場測量與仿真計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，探索機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生異常噪聲的原因，并根據(jù)分析結(jié)果，為峽陽水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)改造提出相關(guān)建議，通過現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)合方法可排除兩者之間的誤差，可為分析結(jié)果排除誤差因子，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)電站改造提供可參考依據(jù)。

1 測量數(shù)據(jù)分析

峽陽水電站位于福建省南平市境內(nèi)，為河床式水電站，是以發(fā)電、航運(yùn)相結(jié)合的水資源綜合利用樞紐工程[13]，電站裝有3臺(tái)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其3號(hào)發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 峽陽水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)參數(shù)

1.1 定轉(zhuǎn)子間隙測量分析

首先在機(jī)坑內(nèi)逐個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)磁極，對定轉(zhuǎn)子間隙做間接測量。在定子某個(gè)磁極上尋找一個(gè)參考點(diǎn)，逐個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)磁極，進(jìn)而測量出轉(zhuǎn)子圓度；在轉(zhuǎn)子磁極上尋找一參考點(diǎn)，磁極轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，間接得出定子圓度[14]。把機(jī)坑內(nèi)得到的定轉(zhuǎn)子圓度值按磁極號(hào)對應(yīng)，找出最小氣隙值。測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子上下游側(cè)間隙不相同，且數(shù)值相差較大，最終上游側(cè)最小間隙為6.28 mm，平均氣隙為9.68 mm，下游側(cè)最小間隙為3.78 mm，平均氣隙為7.85 mm。

通過定轉(zhuǎn)子間隙計(jì)算得出機(jī)坑內(nèi)定子圓度為3.24 mm，轉(zhuǎn)子圓度為1.9 mm。根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到3號(hào)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子上下游側(cè)圓度圖，如圖1所示，從圖1(a)中可以看出轉(zhuǎn)子上下游圓度擬合曲線差異更為明顯，其中上游側(cè)變大，下游側(cè)變小，從圖1(b)中可以看出定子上下游圓度曲線趨勢基本一致，且與平均圓度基本吻合，因此可以初步判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行軌跡存在較大變形。

圖1 機(jī)坑內(nèi)定轉(zhuǎn)子圓度

1.2 安裝間的數(shù)據(jù)測量分析

將定子鐵芯吊出機(jī)坑，再次測量其圓度。發(fā)現(xiàn)在安裝間定子平均圓度值是0.72 mm，與機(jī)坑內(nèi)(3.24 mm)相比變化較大，且安裝間定子圓度圖與機(jī)坑內(nèi)相比，不只是圓度更好，而且一系列的尖點(diǎn)(內(nèi)凹和外凸)的差異也比機(jī)坑內(nèi)更小。

針對這兩種測量之間的差異，可能存在兩種原因。一是氣隙測量存在偏差，不足以反應(yīng)定轉(zhuǎn)子真實(shí)的幾何形狀；二是座環(huán)引起定子基座較大的變形。如果在機(jī)坑內(nèi)定子發(fā)生了變形，則有必要使用液壓千斤頂調(diào)整定子機(jī)座相對于轉(zhuǎn)子的中心及圓度。

1.3 歷史數(shù)據(jù)對比分析

考慮到間隙測量計(jì)算定子圓度與安裝間定子圓度測量的差異，對歷史測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖2所示，比較2017年和2019年定子測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)定子圓度惡化，圓度值從0.68 mm到3.57 mm，同時(shí)2020年與2019年數(shù)據(jù)分布趨勢類似。

圖2 定子圓度測量

查閱2020年3月車間轉(zhuǎn)子支架測量數(shù)據(jù)并擬合數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)將上下游側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合，如圖3所示轉(zhuǎn)子支架測量數(shù)據(jù)行程8節(jié)點(diǎn)模型圖，由圖可得出轉(zhuǎn)子支架上、下圓度偏差較大，說明轉(zhuǎn)子支架變形明顯。

圖3 上下游測量數(shù)據(jù)疊加效果

2 轉(zhuǎn)子有限元分析

2.1 載荷分布與靜應(yīng)力分析

為進(jìn)一步探究確定發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生異常噪聲的原因，研究正常運(yùn)行范圍內(nèi)的額定工況與極限工況下對轉(zhuǎn)子的影響，利用三維建模軟件構(gòu)建了包含軸線、軸承和磁極在內(nèi)的仿真度極高的的轉(zhuǎn)子有限元模型[15]。表2為計(jì)算過程中不同工況下轉(zhuǎn)子所受載荷。

表2 轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中所受載荷

如前所述施加載荷對轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算，其計(jì)算如圖4所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子在額定工況下的最大徑向位移為2.3 mm，最大綜合應(yīng)力為103.72 MPa；轉(zhuǎn)子在極限工況下的最大位移為3.7 mm，最大綜合應(yīng)力為115.24 MPa。兩種工況下最大位移位置與最大綜合應(yīng)力位置分別相同，最大位移位置發(fā)生在轉(zhuǎn)子磁極下游側(cè)，最大綜合應(yīng)力位置發(fā)生在轉(zhuǎn)子支架，且在兩種工況下轉(zhuǎn)子都具有較好的剛度與強(qiáng)度。因此可以排除轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中由于受力而導(dǎo)致變形，進(jìn)而與定子發(fā)生摩擦產(chǎn)生異常噪聲。

圖4 靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.2 模態(tài)分析

基于靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)下，對轉(zhuǎn)子在額定工況下進(jìn)行模態(tài)分析，探究轉(zhuǎn)子在額定工況運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)特性。記錄前8階頻率如表3所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為85.7 rpm，其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為1.43 Hz，與轉(zhuǎn)子在額定工況下前8階固有頻率各不相同，且相差較大，因此可以排除轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率發(fā)生共振導(dǎo)致異常噪聲。

表3 轉(zhuǎn)子在額定工況下前8階固有頻率

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果對轉(zhuǎn)子前8階振型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子第8階振型與2020年3月測量數(shù)據(jù)分布圖(如圖3)基本一致，額定工況下轉(zhuǎn)子第8階振型與振動(dòng)位移趨勢如圖5所示，因此可以判斷峽陽電站3號(hào)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中由于轉(zhuǎn)子振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)致轉(zhuǎn)子機(jī)坑內(nèi)留下的轉(zhuǎn)子圓度差，長時(shí)間的不規(guī)則振動(dòng)引發(fā)轉(zhuǎn)子與定子之間可能存在一定的摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生異常響動(dòng)。

圖5 轉(zhuǎn)子8階振型結(jié)果

3 結(jié) 語

通過對峽陽水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行測量數(shù)據(jù)分析與有限元計(jì)算分析，得出如下結(jié)論，并根據(jù)分析結(jié)果提出如下建議。

1)對電站3號(hào)發(fā)電機(jī)測量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上下游側(cè)圓度差異較大，機(jī)組在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子可能存在不規(guī)則振動(dòng)，轉(zhuǎn)子運(yùn)行軌跡存在較大變形。

2)在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之上對3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜應(yīng)力分析得出轉(zhuǎn)子在額定工況與極限工況下剛強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)模態(tài)分析得出轉(zhuǎn)子振型與2020年3月轉(zhuǎn)子圓度測量數(shù)據(jù)分布趨勢圖一致，因此判斷發(fā)電機(jī)是由于轉(zhuǎn)子不規(guī)則振動(dòng)導(dǎo)致異常噪聲。

3)由于目前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架是采用非對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此建議對轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可嘗試采用對稱性結(jié)構(gòu)，改變轉(zhuǎn)子支架的固有頻率與振型，降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)的概率。