混流式水輪發(fā)電機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)分析與處理

何 勇，楊小松，宋質(zhì)根

（重慶大唐國(guó)際彭水水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 409600）

混流式水輪發(fā)電機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)分析與處理

何 勇，楊小松，宋質(zhì)根

（重慶大唐國(guó)際彭水水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 409600）

定子機(jī)座水平振動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)的損害主要表現(xiàn)在經(jīng)長(zhǎng)期高強(qiáng)度振動(dòng)使鐵心、線棒等部件加劇磨損，降低使用壽命；結(jié)構(gòu)件受交變應(yīng)力影響，造成定子機(jī)座剛強(qiáng)度下降，甚至出現(xiàn)疲勞斷裂；嚴(yán)重時(shí)定轉(zhuǎn)子形變，發(fā)生旋轉(zhuǎn)、固定部件碰撞，造成發(fā)電機(jī)組損壞等。彭水水電公司機(jī)組自投產(chǎn)發(fā)電開(kāi)始定子機(jī)座水平振動(dòng)超出國(guó)標(biāo)要求，本文主要介紹分析了造成定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)的原因，并通過(guò)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度、定子鐵心拉緊螺桿松動(dòng)進(jìn)行處理后，定子機(jī)座水平振動(dòng)大幅度下降，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中B區(qū)運(yùn)行要求，大大提高了設(shè)備的可靠性，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

定子機(jī)座水平振動(dòng)；轉(zhuǎn)子圓度；定子鐵心拉緊螺桿松動(dòng)

1 概述

彭水水電公司位于烏江下游，安裝5臺(tái)單機(jī)容量為350 MW的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘繛? 750 MW，額定轉(zhuǎn)速85.7 r/min，發(fā)電機(jī)型式為三相、立軸半傘式、單路徑密閉自循環(huán)空冷同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造采用了阿爾斯通公司的先進(jìn)技術(shù)斜立筋結(jié)構(gòu)，其機(jī)組定子機(jī)座直徑17710mm，高度5 250 mm，于2008年投產(chǎn)發(fā)電。運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座水平振動(dòng)遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)要求（詳細(xì)情況見(jiàn)表1）。對(duì)比GB/T7894-2009/XG1-2015《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第一號(hào)修改單中關(guān)于立式機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平通頻振動(dòng)限值的要求（見(jiàn)表2），其5臺(tái)機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)都在D區(qū)運(yùn)行，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

表1 機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行后定子機(jī)座水平振動(dòng)值統(tǒng)計(jì)

表2 水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平通頻振動(dòng)限值

表2中各運(yùn)行區(qū)域定義如下：

區(qū)域A：新交付使用機(jī)組振動(dòng)通常應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)；

區(qū)域B：通常認(rèn)為振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組可以無(wú)限地長(zhǎng)期運(yùn)行；

區(qū)域C：通常認(rèn)為振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組不宜長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行，如有適當(dāng)機(jī)會(huì)應(yīng)采取補(bǔ)救措施；

區(qū)域D：通常認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)已經(jīng)非常嚴(yán)重，電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間由制造廠和用戶商定。

2 定子機(jī)座振動(dòng)超標(biāo)原因分析

彭水水電公司主要對(duì)水力因素、電磁因素、機(jī)械因素進(jìn)行分析，從而確定造成定子機(jī)座振動(dòng)超標(biāo)的因素。

2.1 水力因素

針對(duì)機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，4號(hào)機(jī)組做了定子機(jī)座振動(dòng)試驗(yàn)，以X方向?yàn)槔?，試?yàn)數(shù)據(jù)如表3、定子機(jī)座X方位振動(dòng)與負(fù)荷變化趨勢(shì)如圖1。

從表3可知，4號(hào)機(jī)組在空轉(zhuǎn)工況下，定子機(jī)座X向頂部水平振動(dòng)為25 μm左右；在加100%勵(lì)磁后，定子機(jī)座X向頂部水平振動(dòng)為293 μm；在330 MW（接近額定工況）下，定子機(jī)座X向頂部水平振動(dòng)最大為231 μm。從圖1可知定子機(jī)座各部位測(cè)點(diǎn)隨負(fù)荷的增減，變化平穩(wěn)，即定子機(jī)座水平振動(dòng)變化受導(dǎo)葉開(kāi)度的變化影響很小，以上可說(shuō)明水力因素對(duì)定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)影響不大。

表3 4號(hào)機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：μm

圖1 定子機(jī)座X方位振動(dòng)—負(fù)荷變化趨勢(shì)

2.2 電磁因素

（1）通過(guò)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)4號(hào)機(jī)組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙進(jìn)行檢查，見(jiàn)圖2。

圖2 4號(hào)機(jī)組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙變化趨勢(shì)圖

從圖2可以看出，4號(hào)機(jī)組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙較設(shè)計(jì)值（20 mm）偏小。

（2）通過(guò)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行檢查，見(jiàn)圖3。

從圖3可知，4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子不圓度達(dá)到了2.7mm，較標(biāo)準(zhǔn)要求值（1.6 mm）增大了1.1 mm。

圖3 4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度監(jiān)視圖

（3）對(duì)4號(hào)機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，在76 m水頭下，對(duì)機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)、下機(jī)架水平振動(dòng)、定子機(jī)座水平振動(dòng)與加入勵(lì)磁后的試驗(yàn)曲線如圖4。

圖4 76 m水頭4號(hào)機(jī)組振動(dòng)與勵(lì)磁電壓變化關(guān)系曲線

從圖4中（斜率最大的線為定子機(jī)座水平振動(dòng)隨勵(lì)磁變化形成的曲線）可以看出，在不同水頭下，定子機(jī)座水平振動(dòng)隨著勵(lì)磁電壓的增加振動(dòng)有明顯的上升趨勢(shì)。

綜合以上空氣間隙低于設(shè)計(jì)值和轉(zhuǎn)子不圓度大于標(biāo)準(zhǔn)要求值情況，分析認(rèn)為定轉(zhuǎn)子間空氣間隙不均勻，造成磁拉力不平衡導(dǎo)致定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)。[1]

2.3 機(jī)械因素

（1）轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡

對(duì)4號(hào)機(jī)組進(jìn)行變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4：

表4 4號(hào)機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

從表4中可知，在變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)過(guò)程中，4號(hào)機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的上升略有增大，在額定轉(zhuǎn)速85.76r/min下，定子機(jī)座水平振動(dòng)為14.51μm，遠(yuǎn)小于在330 MW下定子機(jī)座水平振動(dòng)值231 μm（見(jiàn)表3），因此轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡對(duì)定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)影響不大。

（2）緊固件松動(dòng)

在3號(hào)機(jī)組檢修中發(fā)現(xiàn)定子鐵心背部定位筋兩側(cè)鐵心多處疑似氧化、發(fā)熱現(xiàn)象，多處定位筋卡扣板斷裂，部分區(qū)域出現(xiàn)銹粉情況、鐵心硅鋼片疊片在水平面呈波浪狀,有明顯變形（見(jiàn)圖5），用液壓拉伸器抽查鐵心硅鋼片疊片在水平面呈波浪狀區(qū)域的定子鐵心拉緊螺桿，發(fā)現(xiàn)其受力值為47.4～63.2 kN，小于定子鐵心拉緊螺桿設(shè)計(jì)受力值85.6 kN。定子鐵心拉緊螺桿的松動(dòng)在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，加劇了定子機(jī)座水平振動(dòng)。而重新緊固定子鐵心拉緊螺桿是減小鐵心松動(dòng)，降低定子機(jī)座水平振動(dòng)的有效方法[2]。

圖5 定子鐵心硅鋼片波浪狀圖

3 定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)處理

彭水水電公司通過(guò)調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度和重新緊固定子鐵心拉緊螺桿方法，來(lái)降低定子機(jī)座水平振動(dòng)，以下是處理過(guò)程和效果。

3.1 調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度

彭水水電公司轉(zhuǎn)子支架為斜支臂結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子中心體和分瓣的扇形支臂現(xiàn)場(chǎng)組拼焊接而成，磁軛現(xiàn)場(chǎng)疊片，加熱膨脹后熱打鍵固定方式，轉(zhuǎn)子有70個(gè)磁極，磁極與磁軛裝配時(shí)根據(jù)磁極與磁軛間的實(shí)際裝配間隙將各種調(diào)整墊片放入，裝入磁極鍵，調(diào)整好位置后，將調(diào)整墊片點(diǎn)焊在磁極上，對(duì)磁極圓度進(jìn)行調(diào)整[3]。磁極與磁軛連接如圖6。

轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)半徑：7 480±0.8 mm

轉(zhuǎn)子高度：3 033 mm

定子設(shè)計(jì)半徑：7 500±0.8 mm

圖6 磁極與磁軛連接示意圖

（1）調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度主要流程如圖7：

圖7 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整主要流程

（2）以4號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修為例，測(cè)量定轉(zhuǎn)子間靜態(tài)空氣間隙，發(fā)現(xiàn)間隙偏小，上部平均間隙為14.6mm，下部平均間隙為14.91mm，均低于設(shè)計(jì)值（20±1.6mm）。

（3）定子分上、中、下三個(gè)部分，均勻測(cè)量定子絕對(duì)半徑（內(nèi)徑），定子內(nèi)徑設(shè)計(jì)值為7 500±0.8 mm，具體數(shù)值如表5。

通過(guò)表5可知，在第四象限方向半徑都偏小，算出上部平均半徑7 499.31 mm，中部平均半徑7 499.07 mm；下部平均半徑7 498.85 mm，且較設(shè)計(jì)值（7 500 mm）相比均偏小，下部平均半徑超出了設(shè)計(jì)值要求（7 500±0.8 mm）。

（4）對(duì)70個(gè)磁極分上、中、下三個(gè)部分進(jìn)行轉(zhuǎn)子半徑測(cè)量，轉(zhuǎn)子半徑設(shè)計(jì)值為7 480±0.8 mm，經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)子上部平均半徑為7 483.8 mm，較設(shè)計(jì)值相比增大3.8 mm；中部平均半徑為7 483.37 mm，較設(shè)計(jì)值相比增大3.37 mm；下部平均半徑為7 483.4 mm，較設(shè)計(jì)值相比增大3.4 mm。轉(zhuǎn)子半徑整體比設(shè)計(jì)值要求偏大。

（5）磁極拆除后，對(duì)轉(zhuǎn)子磁軛外徑分上、中、下三個(gè)部分進(jìn)行磁軛外徑、磁軛與大立筋間隙進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)彭電機(jī)組設(shè)計(jì)書，磁軛與大立筋間隙加上磁軛熱打鍵緊量3 mm為磁軛熱加墊量，對(duì)磁軛進(jìn)行熱加墊，加墊后測(cè)量磁軛外徑主要數(shù)據(jù)如表6：

表5 定子絕對(duì)半徑（內(nèi)徑）測(cè)量 單位：mm

表6 轉(zhuǎn)子磁軛外徑主要數(shù)據(jù) 單位：mm

（6）根據(jù)（5）中測(cè)量數(shù)據(jù)確定磁極的加工量和磁極的加墊量。因A修中不宜同時(shí)對(duì)定子和轉(zhuǎn)子做圓度處理，故按照定子圓度不進(jìn)行處理的前提下，只對(duì)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行處理，通過(guò)縮小轉(zhuǎn)子半徑來(lái)增大發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間空氣間隙，使之到達(dá)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)定子平均半徑，參照表4綜合考慮，取定子內(nèi)徑值為7498mm，按照定轉(zhuǎn)子間空氣間隙設(shè)計(jì)為20±1.6mm控制，將轉(zhuǎn)子外徑最終控制目標(biāo)確定為7 478 mm。

R轉(zhuǎn)子外=R磁軛外+磁極加墊厚度+磁極肩部厚度

磁極肩部厚度為定值：271 mm；

R轉(zhuǎn)子外：7 478 mm；

R磁軛外：對(duì)應(yīng)表5測(cè)量值進(jìn)行確定。

根據(jù)磁軛外徑，確定對(duì)70個(gè)磁極肩部處進(jìn)行加工，將厚度減小5 mm。通過(guò)裸掛某一個(gè)磁極（檢修中為51號(hào)磁極），換算出磁極的平均厚度，然后假定每個(gè)磁極的厚度一樣，通過(guò)將磁軛配圓的方法，確定了70個(gè)磁極肩部處的理論加墊量，對(duì)稱試掛了4個(gè)磁極，經(jīng)測(cè)量4個(gè)磁極的外徑全部滿足檢修要求，根據(jù)公式算的理論加墊量進(jìn)行磁極掛裝，全部掛裝后，測(cè)量磁極外徑，對(duì)比R轉(zhuǎn)子外值，通過(guò)增減加墊厚度的方式進(jìn)行調(diào)整，最終轉(zhuǎn)子外徑主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表7：

（7）通過(guò)將磁極外徑減小，調(diào)整磁極圓度至標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，過(guò)速試驗(yàn)后定轉(zhuǎn)子間空氣間隙見(jiàn)表8：

（8）通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行處理，使定轉(zhuǎn)子間空氣間隙達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在工作水頭為76 m，機(jī)組有功功率為350 MW工況下，4號(hào)機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)值由處理前的265 μm降至處理后的132 μm。彭水水電公司自2011年至2015年間，逐一對(duì)4號(hào)、3號(hào)、2號(hào)、1號(hào)、5號(hào)機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)子圓度處理，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度（見(jiàn)表9）使得定轉(zhuǎn)子間空氣間隙（見(jiàn)表10）達(dá)到設(shè)計(jì)要求。修后機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)（見(jiàn)表11）值也大幅度降低，1號(hào)機(jī)組從D區(qū)降至B區(qū)運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組從D區(qū)降至C區(qū)運(yùn)行，3號(hào)機(jī)組振動(dòng)幅值雖下降但運(yùn)行區(qū)域并未改變，4號(hào)機(jī)組從D區(qū)降至C區(qū)運(yùn)行，5號(hào)機(jī)組從D區(qū)降至C區(qū)運(yùn)行，綜上可知修后機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)超標(biāo)處理收效良好。

表7 轉(zhuǎn)子外徑檢修前后主要數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：mm

表8 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整后定轉(zhuǎn)子間空氣間隙檢修前后對(duì)比

3.2 定子鐵心拉緊螺桿緊固處理

采用專用液壓拉伸工具對(duì)315根定子鐵心拉緊螺桿進(jìn)行拉伸，將定子鐵心拉緊螺桿分為12個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域約26根定子鐵心拉緊螺桿（見(jiàn)圖8）。由于每臺(tái)液壓拉伸器有12個(gè)螺母，因此每個(gè)區(qū)域隔一個(gè)定子鐵心拉緊螺桿套一個(gè)拉緊螺母。

參照?qǐng)D8，每個(gè)區(qū)域需與對(duì)應(yīng)區(qū)域同時(shí)拉伸，拉緊順序?yàn)椋?號(hào)區(qū)域與7號(hào)區(qū)域、4號(hào)區(qū)域與10號(hào)區(qū)域、2號(hào)區(qū)域與8號(hào)區(qū)域、6號(hào)區(qū)域與12號(hào)區(qū)域、3號(hào)區(qū)域與9號(hào)區(qū)域、5號(hào)區(qū)域與11號(hào)區(qū)域。螺桿分3次拉緊，每次均勻增加，到達(dá)定子鐵心拉緊螺桿設(shè)計(jì)受力值85.6 kN。

表9 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后對(duì)比 單位：mm

表10 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整后定轉(zhuǎn)子間空氣間隙（平均值）對(duì)比統(tǒng)計(jì) 單位：mm

表11 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后定子機(jī)座水平振動(dòng)對(duì)比單位：μm

圖8 定子鐵芯拉緊螺桿分區(qū)圖

通過(guò)重新對(duì)定子鐵心拉緊螺桿進(jìn)行緊固后，定子機(jī)座水平振動(dòng)前后對(duì)比如表12：

表12 螺桿拉緊前后定子機(jī)座水平振動(dòng)對(duì)比 單位：mm

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組經(jīng)轉(zhuǎn)子圓度處理、定子鐵心拉緊螺桿緊固處理后，機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)有非常好的改善，從表11和12可以看出，經(jīng)過(guò)處理，彭水水電公司5臺(tái)機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)目前均已在B區(qū)運(yùn)行，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）空氣間隙不平衡且偏離設(shè)計(jì)值要求，造成磁拉力不平衡是導(dǎo)致彭水電站機(jī)組振動(dòng)的主要原因，通過(guò)重新加墊并調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度，使定轉(zhuǎn)子空氣間隙達(dá)到設(shè)計(jì)值，定子機(jī)座水平振動(dòng)大幅下降，減小了因振動(dòng)造成機(jī)組材料疲勞、結(jié)構(gòu)破壞和焊縫開(kāi)裂等風(fēng)險(xiǎn)[4]，使得設(shè)備可靠性大大提高。

（2）通過(guò)對(duì)定子鐵心拉緊螺桿重新緊固雖對(duì)降低定子機(jī)座水平振動(dòng)水平影響校小，但及時(shí)處理了定子鐵心松動(dòng)，降低了鐵心內(nèi)部形成渦流造成溫度升高造成鐵心燒損的風(fēng)險(xiǎn)，有效防止了鐵心松動(dòng)誘發(fā)線棒絕緣損壞等設(shè)備事故的發(fā)生。

[1]王鵬宇,孔德寧,胡鎮(zhèn)，等.巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平振動(dòng)探討[J].水電站機(jī)電技術(shù),2011,34(05):29-32.

[2]辜志寧.發(fā)電機(jī)定子鐵芯的松動(dòng)及緊固[J].水電站機(jī)電技術(shù), 2013,36(06):20-22,37.

[3]姬升陽(yáng),李政卿,胡成學(xué).三峽水電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度處理[J].水電與新能源,2010(05):24-26.

[4]馬震岳,董毓新.水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2003.

TV738

B

1672-5387（2017）08-0061-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.018

2017-06-19

何 勇（1988-），男，助理工程師，從事水電站機(jī)電設(shè)備管理工作。