羊湖電站高轉(zhuǎn)速懸式水輪發(fā)電機組振動解決方案分析

王 昆

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

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羊湖電站高轉(zhuǎn)速懸式水輪發(fā)電機組振動解決方案分析

王 昆

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

著重分析了羊湖電站22.5 MW常規(guī)三噴嘴水斗式水輪發(fā)電機組由于自身高轉(zhuǎn)速懸式機組的特點導致機組運行振動的原因，提出了使用帶雙反式阻尼防振結(jié)構(gòu)的復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板結(jié)構(gòu)來有效解決振動問題的方案，并詳細介紹了該方案的設計原理、部件構(gòu)成、計算分析和應用效果，為今后解決高轉(zhuǎn)速懸式機組振動問題提供了指導性的思路和重要的成功實踐經(jīng)驗。

高轉(zhuǎn)速懸式水輪發(fā)電機組；雙反式阻尼防振結(jié)構(gòu)；防振蓋板

0 引言

羊湖電站坐落在羊湖流域，電站除裝有4臺22.5 MW三機式抽水蓄能機組外，還裝有一臺22.5 MW常規(guī)三噴嘴水斗式水輪發(fā)電機組。此臺常規(guī)機組額定容量為25 MVA，額定轉(zhuǎn)速750 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速1 290 r/min，是哈爾濱電機廠有限責任公司自主設計制造的高轉(zhuǎn)速懸式水輪發(fā)電機組。高轉(zhuǎn)速懸式水輪發(fā)電機組由于機組自身轉(zhuǎn)速高造成發(fā)電機軸的徑向擺度大，且由于推力軸承在整個機組上導位置，不容易使用常規(guī)的防振措施，導致該類型機組常常振動較大，在廠房內(nèi)發(fā)電機上蓋板處有明顯振感。針對羊湖電站機組參數(shù)特性，進行優(yōu)化設計，從而使得基礎最大化的分擔機組振動效應，減少發(fā)電機振動和振感，提高機組運行靜謐性和穩(wěn)定性。

1 復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板設計

復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板是針對羊湖發(fā)電機組減振要求研發(fā)出的隔音防振上蓋板結(jié)構(gòu)。蓋板根據(jù)機組上機架支臂數(shù)設計成6瓣，圓周敷設在機組上機架上端見圖1。上蓋板在內(nèi)側(cè)與上導軸承油槽通過雙反式阻尼防振系統(tǒng)連接成整體，外側(cè)與機坑基礎通過雙反式阻尼防振系統(tǒng)連接成整體見圖2。側(cè)面通過焊接、把合結(jié)構(gòu)與上機架支臂形成整體。蓋板本體由40 mm厚Q235鋼板、50 mm隔音板、Q235鋼板材質(zhì)隔音板框架、雙反式阻尼防振結(jié)構(gòu)組合而成。50 mm厚隔音板通過Q235鋼板材質(zhì)隔音板框架與40 mm厚Q235鋼板組成蓋板主體，雙反式阻尼防振系統(tǒng)按照機組徑向方向分布在蓋板內(nèi)側(cè)切圓與外側(cè)切圓上。

圖1 復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板俯視圖

2 雙反式阻尼防振系統(tǒng)設計

雙反式阻尼防振系統(tǒng)是一種自調(diào)節(jié)式圓周全角度平衡受力彈性支撐結(jié)構(gòu)，基于復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板本體衍生設計。外側(cè)均勻敷設在上蓋板本體與外圍機坑混凝土基礎之間，內(nèi)側(cè)均勻敷設在上蓋板與上機架中心體、油槽壁之間，通過調(diào)整每一個雙反式阻尼防振系統(tǒng)，使得每一瓣上蓋板同時與上機架和發(fā)電機組機坑基礎最大化的組成整體，將機組由于各種原因產(chǎn)生的振動均勻且連續(xù)的沿圓周徑向輻射式傳遞到機坑基礎上，從而達到提高上機架、上導推力軸承與機坑基礎的整體性，降低振感，提高機組運行靜謐性和穩(wěn)定性的要求。

圖2 復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板側(cè)視圖

以與外圍機坑混凝土基礎之間連接的雙反式阻尼防振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為例，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示：由復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板本體、調(diào)整螺栓、鎖定螺母、接觸螺栓、基礎埋入環(huán)、Y型支撐組成。

1. 蓋板本體； 2. 螺栓； 3. 鎖定螺母； 4. 接觸螺栓； 5. 基礎埋入環(huán)； 6. 丫型支撐圖3 外側(cè)雙反式阻尼防振系統(tǒng)

先將基礎埋入環(huán)、Y型支撐焊接成整體后埋入基礎中，安裝上蓋板本體，使用調(diào)整螺栓與基礎埋入環(huán)相把合，此處可實現(xiàn)上蓋板的高度鎖定，使得上蓋板本體軸向固定在基礎埋入環(huán)上方，提高整體穩(wěn)定性。將鎖定螺母、接觸螺栓把合后，接觸螺栓擰入上蓋板本體的螺孔中，通過調(diào)整與基礎埋入環(huán)的接觸距離及受力，使圓周均布的各個點上的接觸螺栓均與基礎埋入環(huán)完全接觸，調(diào)整好后使用鎖定螺母3反鎖住接觸螺栓，達到完全鎖定狀態(tài)。此時由于上蓋板本體徑向均勻支撐在基礎埋入環(huán)上，使得上蓋板與基礎均勻受力且形成受力整體，當機組運行振動時，振動傳遞到上蓋板后，會均勻的傳遞到機坑混凝土基礎中，使得基礎可以極大的分擔和吸收機組振動，達到減震效果。內(nèi)側(cè)均勻敷設在上蓋板與上機架中心體、油槽壁之間的雙反式阻尼防振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與外圍機坑混凝土基礎之間連接的雙反式阻尼防振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，區(qū)別是不設置Y型支撐。其作用是將上蓋板本體與上機架形成整體，將發(fā)電機運行旋轉(zhuǎn)的振動由發(fā)電機軸——發(fā)電機上導推力——發(fā)電機上機架均勻且連續(xù)的通過帶雙反式阻尼防振結(jié)構(gòu)的復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板傳遞到外側(cè)機坑基礎，從而 達到降低振感、提高機組運行穩(wěn)定性與靜謐性的目的。

3 本設計結(jié)構(gòu)的計算分析

為保證羊湖電站減振優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，提高安全裕度和理論支撐依據(jù)，我們對該結(jié)構(gòu)進行了大量的有限元分析計算，羊湖電站水輪發(fā)電機總裝如圖4所示。

圖4 羊湖水輪發(fā)電機總裝圖(圖中：A為上導座圈；B為上導支撐蓋與上機架螺栓連接處；C為擋油壁。)

對原結(jié)構(gòu)、新結(jié)構(gòu)的上機架、上導推力軸承與機坑基礎的受力進行分析，使用了本文描述的解決方案后機組上機架、上導推力軸承與機坑基礎的剛度明顯增大，如圖5所示。

圖5-1(a) 原結(jié)構(gòu)A位置徑向變形分布圖

圖5-1(b) 新結(jié)構(gòu)A位置徑向變形分布圖

圖5-2(a) 原結(jié)構(gòu)B位置徑向變形分布圖

圖5-2(b) 新結(jié)構(gòu)B位置徑向變形分布

圖5-3(a) 原結(jié)構(gòu)C位置徑向變形分布圖

圖5-3(b) 新結(jié)構(gòu)C位置徑向變形分布圖

對原結(jié)構(gòu)、新結(jié)構(gòu)的固有頻率進行對比分析。旋轉(zhuǎn)機械運行過程中，受激振力作用，機械會產(chǎn)生振動，一旦機械的固有頻率與外部激振力的頻率一致，就會發(fā)生共振現(xiàn)象，從而引起機械的過大變形。機械的固有頻率避開外部激振力頻率的范圍越大，那么機械的振動越小。羊湖水輪發(fā)電機上機架和定子聯(lián)合水平晃動固有頻率表達式：

式中：k為上機架和定子聯(lián)合的剛度;m為上機架的質(zhì)量;m2為機組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量。

上機架的固有頻率與機架的剛度的平方根成正比，提高上機架剛度對增加機組固有頻率值有直接影響。經(jīng)過測量分析得出，該機組運行激振力頻率的計算值為12.5 Hz，原始結(jié)構(gòu)的上機架和定子聯(lián)合水平晃動固有頻率為17.298 Hz，新結(jié)構(gòu)的上機架和定子聯(lián)合水平晃動固有頻率為27.76 Hz。使用新結(jié)構(gòu)后水平晃動固有頻率較原始結(jié)構(gòu)提高了10.462 Hz，避開激頻的范圍明顯增大，上機架的振動會明顯減小如圖6所示。

圖6a 原結(jié)構(gòu)水平晃動模型

圖6b 新結(jié)構(gòu)水平晃動模型

4 結(jié)語

高轉(zhuǎn)速懸式水輪發(fā)電機組由于自身結(jié)構(gòu)設計原因，推力位于上導處，整個機組“頭大腳小”，且轉(zhuǎn)速高，軸擺度大等等特性造成機組較傘式機組振動大，在上蓋板處振感強烈。而傳統(tǒng)上蓋板起到的作用只是遮蓋機坑和供人員走動，剛度有限。為了在檢修的時候方便空氣冷卻器、轉(zhuǎn)子磁極等部件吊出，上蓋板往往和上機架只是簡單的把合狀態(tài)，雖然大型上蓋板有隔音裝置，但是對于羊湖電站機組的整體振動情況來說，傳統(tǒng)有隔音板的上蓋板不能達到整體結(jié)構(gòu)要求，且減振效果十分有限。

雙反式阻尼防振結(jié)構(gòu)的復合式重載荷隔音防振圓形上蓋板可以優(yōu)化機組上機架、上導推力軸承與機坑基礎的整體性，并增加上蓋板的隔音防振功能，輔助提高上導剛強度，從而使得基礎最大化的分擔機組振動效應，減少發(fā)電機振動和振感，提高機組運行靜謐性和穩(wěn)定性。此種結(jié)構(gòu)也為今后解決高轉(zhuǎn)速懸式機組振動問題提供了指導性的思路和重要的成功實踐經(jīng)驗。

王昆，1985年生，男，2008年畢業(yè)于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業(yè)，長期從事水輪發(fā)電機的設計工作，工程師。