風力發電機轉子高速動平衡工藝

蔡衛國

(中車永濟電機有限公司，陜西西安710018)

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風力發電機轉子高速動平衡工藝

蔡衛國

(中車永濟電機有限公司，陜西西安710018)

以轉子動平衡理論為基礎，根據生產現場平衡為案例，闡述了高速動平衡工藝方法，對高速動平衡中出現的不同情況進行了總結分析，為今后動平衡工作提供指導。

動平衡；柔性；振動；高速

0 引言

雙饋發電機組的轉子振動過大會直接影響機組的安全與可靠運行。引起轉子振動過大的因素很多，如轉子的不平衡、軸承質量不穩定、殼體的剛性差等。其中轉子不平衡是引起振動的主要原因之一。轉子不平衡對電機的影響有以下三方面：(1)使電機振動值超標，引起噪聲或者使電機性能下降；(2)誘發其他激振因素；(3)大幅度降低電機的使用壽命，因此要對轉子不平衡進行校正，而動平衡是消除不平衡振動的主要手段。

1 動平衡工藝方法

在動平衡工藝過程中，發電機轉子通常被認為是剛性的，因此只需要低速下做動平衡即可滿足要求。但也有在平衡后電機振動仍然超出允許的振動值。當排除其他的振動原因后，在提高平衡精度的前提下，并未能解決問題，振動依然很大，可以判定該電機轉子在工作轉速下屬于撓性轉子，必須進行高速動平衡才能真正解決振動問題。

撓性轉子之所以發生撓性變形，是由于轉子在工作轉速下發生塑性或彈性變形所致。塑性變形時由于電機轉軸在高速運行時發生了位移或變形所致，比如電機轉子鐵心內應力釋放產生的變形或位移；而彈性變形則由于電機轉軸及轉子結構細長，在額定轉速下整體發生了彈性變形。轉子的撓性變形一般有三階振型，如圖1所示。

1.1 剛性轉子與撓性轉子

1.1.1 剛性轉子動平衡前后殘余不平衡量不隨轉速的升高而發生變化。所以使用低速動平衡可以達到平衡的效果。

1.1.2 撓性轉子的不平衡量隨著轉速的升高而增加，撓性轉子存在不平衡時，主要存在以下特性。

(1)振動與轉速的關系。

撓性轉子的振動可以用下式來表示

(1)

式中，A1、A2、A3—分別為一、二、三階的不平衡量；ω1、ω2、ω3—分別為轉子的一、二、三階臨界轉速；ω—轉速。由式⑴可以得出振幅與轉速的關系圖，如圖2所示。

圖中曲線1是假設轉子只存在一階不平衡是關系圖；圖中曲線2是假設轉子只存在二階不平衡是關系圖；圖中曲線3是假設轉子只存在三階不平衡是關系圖。但是實際轉子一般不可能只存在單一的一種形式的不平衡，往往同時存在一、二、三階不平衡，所以振幅與轉速的實際關系將如圖中曲線4所示。

(2)振動的波形為正弦波。

(3)當工作轉速一定時，振動的幅值、相位較穩定。

2 不平衡過程、分析

2.1 設備

HD60VS硬支撐臥式動平衡機;轉子：1.5MW雙饋風力發電機轉子。

2.2 平衡過程

支撐位置選擇軸承位置；首臺轉子在600rpm，初始不平衡量300g，當轉速達到1900rpm時，初始不平衡量達到2374g；不平衡量隨著轉速的升高增幅很大，因此判斷該轉子為撓性轉子。

由于轉子在1900rpm下平衡量顯示量過大，在該轉速下直接進行動平衡對軸承表面以及設備有一定破壞，參考相關資料，初步確定平衡方法采用多步驟：(1)600rpm下進行平衡，殘余量小于10g；(2)1200rpm下進行平衡，殘余量小于10g；(3)最后在1900rpm下進行平衡，殘余量小于5g。

在平衡前對轉子進行超速試驗發現，如圖3所示(振幅-轉速圖)，平衡機及轉子組成的平衡系統在1600～2100rpm時為振動波動區域(有撓性變形)，而平衡轉速正好在這一區域內，電機的額定轉速為1900rpm，正好在這一區域。

小批量轉子做完平衡后，電機試驗過程中發現，大部分電機振動超標，不合格比例達76%；轉子動平衡是引起振動超標的主要因素之一，在排除其他直觀的因素后，對轉子重新校驗動平衡，轉速選擇避開平衡系統波動較大的區域，且根據現場在不同平衡轉速下試驗情況，確定平衡轉速為1500rpm，對轉子進行重新動平衡校正，后續的電機試驗過程中發現，電機振動仍然超標，因此該方法沒有解決電機振動超標的根本原因。

轉子結構見圖4，對轉子結構進行分析，轉子在滑環端軸伸較長，且直徑φ70尺寸較小，而在前期動平衡過程中，為了不損傷電機軸伸端外圓，平衡時選用非傳動端(滑環端)轉軸與平衡機萬向節連接，連接部位轉軸剛性差是引起平衡質量不穩定的因素之一，且電機在振動試驗中，振動超標基本都在滑環端；因此調整平衡工藝，新制作動平衡工裝，使平衡機與傳動端軸伸連接，注意平衡過程中保護傳動端軸伸面。

按照多轉子平衡方法，對動平衡工藝改進如下：(1)轉子與平衡機萬向節連接部位進行調整；(2)平衡轉速選擇與電機額定轉速相同；(3)平衡工藝：①600rpm下進行動平衡，殘余量小于10g；②1900rpm下進行動平衡，不平衡殘余量小于5g；轉子裝配動平衡工藝進行改進后，電機在后續的振動試驗中，振動值全部符合要求。

2.3 數據分析：轉子1900rpm轉速下動平衡滿足要求后，取18臺轉子記錄在600rpm下不平衡量及相位，建立圖表見圖5、圖6。

其中系列1為1900rpm時轉子殘余不平衡量，系列2為600rpm時轉子不平衡量數據，系列3為600rpm時轉子不平衡量平均值。根據圖表可知，系列2數據均大于系列1數據，也就是說，撓性轉子進行準高速平衡后，轉子低速轉動振動值比在工作轉速下轉動振動值大，隨著轉速的升高，振動值會逐漸降下來。

剛性轉子平衡的目的是消除轉子上的不平衡力和不平衡力偶，而柔性轉子平衡的目的是消除不平衡力、不平衡力偶和出現的n階振型不平衡量；柔性轉子在高速動平衡后，轉子低速轉動時增加了n階振型不平衡量，因此殘余不平衡量會增加。

3 結語

1.5MW雙饋風力發電機轉子高速動平衡工藝的應用，在風力發電機制造領域是一項技術提升。柔性轉子動平衡時選擇轉軸剛性較好的一端與萬向節連接可得到更準確的數據。柔性轉子動平衡采用多轉速的平衡方法，可有效避免高轉速下設備和產品的損傷。

柔性轉子動平衡后，低速運行時振動值比在工作轉速下運行時振動值大，隨著轉速的升高，振動值會逐漸降下來。

[1] 楊國安.轉子動平衡使用技術.北京：中國石化出版社，2012.

[2] 牟發海.汽輪發電機組的現場高速動平衡.燃氣輪機技術，2008.

[3] 劉洪文.淺談高速動平衡在工藝上的選擇.防爆電機，2007.

[4] 施維新.汽輪發電機組振動機事故.北京：中國電力出版社，1998.

[5] 鄧旺群.轉子動力特性及動平衡研究綜述.燃氣渦輪試驗與研究，2008.

High Speed Dynamic Balance Technology for Rotor of Wind Power Generator

CaiWeiguo

(CRRC Yongji Electric Motor Co., Ltd., Xi′an 710018, China)

Taking balance in the production site as an example, the technical method of high-speed dynamic balance is stated based on dynamic balance theory of the rotor, and different conditions appeared in high speed dynamic balance is summarized and analyzed. It can provide guidance for later dynamic balance work.

Dynamic balance；flexibility；vibration；high speed

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.18

TM305.3

B

1008-7281(2016)05-0058-003

蔡衛國 男 1984年生；畢業于西安理工大學，現從事電機設計工作.

2016-06-30