混流式水輪發(fā)電機組定子機座水平振動超標(biāo)分析與處理

何 勇，楊小松，宋質(zhì)根

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶 409600）

混流式水輪發(fā)電機組定子機座水平振動超標(biāo)分析與處理

何 勇，楊小松，宋質(zhì)根

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶 409600）

定子機座水平振動對發(fā)電機的損害主要表現(xiàn)在經(jīng)長期高強度振動使鐵心、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，造成定子機座剛強度下降，甚至出現(xiàn)疲勞斷裂；嚴(yán)重時定轉(zhuǎn)子形變，發(fā)生旋轉(zhuǎn)、固定部件碰撞，造成發(fā)電機組損壞等。彭水水電公司機組自投產(chǎn)發(fā)電開始定子機座水平振動超出國標(biāo)要求，本文主要介紹分析了造成定子機座水平振動超標(biāo)的原因，并通過對機組轉(zhuǎn)子圓度、定子鐵心拉緊螺桿松動進行處理后，定子機座水平振動大幅度下降，達到國家標(biāo)準(zhǔn)中B區(qū)運行要求，大大提高了設(shè)備的可靠性，保證了機組安全穩(wěn)定運行。

定子機座水平振動；轉(zhuǎn)子圓度；定子鐵心拉緊螺桿松動

1 概述

彭水水電公司位于烏江下游，安裝5臺單機容量為350 MW的大型混流式水輪發(fā)電機組，裝機總?cè)萘繛? 750 MW，額定轉(zhuǎn)速85.7 r/min，發(fā)電機型式為三相、立軸半傘式、單路徑密閉自循環(huán)空冷同步發(fā)電機。發(fā)電機設(shè)計和制造采用了阿爾斯通公司的先進技術(shù)斜立筋結(jié)構(gòu)，其機組定子機座直徑17710mm，高度5 250 mm，于2008年投產(chǎn)發(fā)電。運行過程中發(fā)現(xiàn)定子機座水平振動遠超國標(biāo)要求（詳細情況見表1）。對比GB/T7894-2009/XG1-2015《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)第一號修改單中關(guān)于立式機組水輪發(fā)電機定子機座水平通頻振動限值的要求（見表2），其5臺機組定子機座水平振動都在D區(qū)運行，嚴(yán)重威脅機組安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

表1 機組投產(chǎn)運行后定子機座水平振動值統(tǒng)計

表2 水輪發(fā)電機定子機座水平通頻振動限值

表2中各運行區(qū)域定義如下：

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

區(qū)域B：通常認(rèn)為振動在此區(qū)域內(nèi)的機組可以無限地長期運行；

區(qū)域C：通常認(rèn)為振動在此區(qū)域內(nèi)的機組不宜長期持續(xù)運行，如有適當(dāng)機會應(yīng)采取補救措施；

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

2 定子機座振動超標(biāo)原因分析

彭水水電公司主要對水力因素、電磁因素、機械因素進行分析，從而確定造成定子機座振動超標(biāo)的因素。

2.1 水力因素

針對機組定子機座水平振動超標(biāo)問題，4號機組做了定子機座振動試驗，以X方向為例，試驗數(shù)據(jù)如表3、定子機座X方位振動與負(fù)荷變化趨勢如圖1。

從表3可知，4號機組在空轉(zhuǎn)工況下，定子機座X向頂部水平振動為25 μm左右；在加100%勵磁后，定子機座X向頂部水平振動為293 μm；在330 MW（接近額定工況）下，定子機座X向頂部水平振動最大為231 μm。從圖1可知定子機座各部位測點隨負(fù)荷的增減，變化平穩(wěn)，即定子機座水平振動變化受導(dǎo)葉開度的變化影響很小，以上可說明水力因素對定子機座水平振動超標(biāo)影響不大。

表3 4號機組振動試驗數(shù)據(jù) 單位：μm

圖1 定子機座X方位振動—負(fù)荷變化趨勢

2.2 電磁因素

（1）通過機組監(jiān)控系統(tǒng)，對4號機組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙進行檢查，見圖2。

圖2 4號機組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙變化趨勢圖

從圖2可以看出，4號機組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙較設(shè)計值（20 mm）偏小。

（2）通過機組監(jiān)控系統(tǒng)，對4號機組轉(zhuǎn)子圓度進行檢查，見圖3。

從圖3可知，4號機組轉(zhuǎn)子不圓度達到了2.7mm，較標(biāo)準(zhǔn)要求值（1.6 mm）增大了1.1 mm。

圖3 4號機組轉(zhuǎn)子圓度監(jiān)視圖

（3）對4號機組進行穩(wěn)定性試驗，在76 m水頭下，對機組上機架水平振動、下機架水平振動、定子機座水平振動與加入勵磁后的試驗曲線如圖4。

圖4 76 m水頭4號機組振動與勵磁電壓變化關(guān)系曲線

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

綜合以上空氣間隙低于設(shè)計值和轉(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)致定子機座水平振動超標(biāo)。[1]

2.3 機械因素

（1）轉(zhuǎn)子動不平衡

對4號機組進行變轉(zhuǎn)速試驗，試驗數(shù)據(jù)如表4：

表4 4號機組定子機座水平振動與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

從表4中可知，在變轉(zhuǎn)速試驗過程中，4號機組定子機座水平振動隨轉(zhuǎn)速的上升略有增大，在額定轉(zhuǎn)速85.76r/min下，定子機座水平振動為14.51μm，遠小于在330 MW下定子機座水平振動值231 μm（見表3），因此轉(zhuǎn)子動不平衡對定子機座水平振動超標(biāo)影響不大。

（2）緊固件松動

在3號機組檢修中發(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)計受力值85.6 kN。定子鐵心拉緊螺桿的松動在機組運行過程中，加劇了定子機座水平振動。而重新緊固定子鐵心拉緊螺桿是減小鐵心松動，降低定子機座水平振動的有效方法[2]。

圖5 定子鐵心硅鋼片波浪狀圖

3 定子機座水平振動超標(biāo)處理

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

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)場組拼焊接而成，磁軛現(xiàn)場疊片，加熱膨脹后熱打鍵固定方式，轉(zhuǎn)子有70個磁極，磁極與磁軛裝配時根據(jù)磁極與磁軛間的實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)整墊片點焊在磁極上，對磁極圓度進行調(diào)整[3]。磁極與磁軛連接如圖6。

轉(zhuǎn)子設(shè)計半徑：7 480±0.8 mm

轉(zhuǎn)子高度：3 033 mm

定子設(shè)計半徑：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號機組A級檢修為例，測量定轉(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)計值（20±1.6mm）。

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

通過表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)計值（7 500 mm）相比均偏小，下部平均半徑超出了設(shè)計值要求（7 500±0.8 mm）。

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

（5）磁極拆除后，對轉(zhuǎn)子磁軛外徑分上、中、下三個部分進行磁軛外徑、磁軛與大立筋間隙進行測量，根據(jù)彭電機組設(shè)計書，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，對磁軛進行熱加墊，加墊后測量磁軛外徑主要數(shù)據(jù)如表6：

表5 定子絕對半徑（內(nèi)徑）測量 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修中不宜同時對定子和轉(zhuǎn)子做圓度處理，故按照定子圓度不進行處理的前提下，只對轉(zhuǎn)子圓度進行處理，通過縮小轉(zhuǎn)子半徑來增大發(fā)電機定轉(zhuǎn)子間空氣間隙，使之到達設(shè)計要求。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：對應(yīng)表5測量值進行確定。

根據(jù)磁軛外徑，確定對70個磁極肩部處進行加工，將厚度減小5 mm。通過裸掛某一個磁極（檢修中為51號磁極），換算出磁極的平均厚度，然后假定每個磁極的厚度一樣，通過將磁軛配圓的方法，確定了70個磁極肩部處的理論加墊量，對稱試掛了4個磁極，經(jīng)測量4個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行磁極掛裝，全部掛裝后，測量磁極外徑，對比R轉(zhuǎn)子外值，通過增減加墊厚度的方式進行調(diào)整，最終轉(zhuǎn)子外徑主要數(shù)據(jù)見表7：

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

（8）通過對轉(zhuǎn)子圓度進行處理，使定轉(zhuǎn)子間空氣間隙達到設(shè)計要求，在工作水頭為76 m，機組有功功率為350 MW工況下，4號機組定子機座水平振動值由處理前的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4號、3號、2號、1號、5號機組進行轉(zhuǎn)子圓度處理，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度（見表9）使得定轉(zhuǎn)子間空氣間隙（見表10）達到設(shè)計要求。修后機組定子機座水平振動（見表11）值也大幅度降低，1號機組從D區(qū)降至B區(qū)運行，2號機組從D區(qū)降至C區(qū)運行，3號機組振動幅值雖下降但運行區(qū)域并未改變，4號機組從D區(qū)降至C區(qū)運行，5號機組從D區(qū)降至C區(qū)運行，綜上可知修后機組定子機座水平振動超標(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315根定子鐵心拉緊螺桿進行拉伸，將定子鐵心拉緊螺桿分為12個區(qū)域，每個區(qū)域約26根定子鐵心拉緊螺桿（見圖8）。由于每臺液壓拉伸器有12個螺母，因此每個區(qū)域隔一個定子鐵心拉緊螺桿套一個拉緊螺母。

參照圖8，每個區(qū)域需與對應(yīng)區(qū)域同時拉伸，拉緊順序為：1號區(qū)域與7號區(qū)域、4號區(qū)域與10號區(qū)域、2號區(qū)域與8號區(qū)域、6號區(qū)域與12號區(qū)域、3號區(qū)域與9號區(qū)域、5號區(qū)域與11號區(qū)域。螺桿分3次拉緊，每次均勻增加，到達定子鐵心拉緊螺桿設(shè)計受力值85.6 kN。

表9 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后對比 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）對比統(tǒng)計 單位：mm

表11 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后定子機座水平振動對比單位：μm

圖8 定子鐵芯拉緊螺桿分區(qū)圖

通過重新對定子鐵心拉緊螺桿進行緊固后，定子機座水平振動前后對比如表12：

表12 螺桿拉緊前后定子機座水平振動對比 單位：mm

4 結(jié)語

機組經(jīng)轉(zhuǎn)子圓度處理、定子鐵心拉緊螺桿緊固處理后，機組定子機座水平振動有非常好的改善，從表11和12可以看出，經(jīng)過處理，彭水水電公司5臺機組定子機座水平振動目前均已在B區(qū)運行，保證了機組安全穩(wěn)定運行。

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

（2）通過對定子鐵心拉緊螺桿重新緊固雖對降低定子機座水平振動水平影響校小，但及時處理了定子鐵心松動，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，有效防止了鐵心松動誘發(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)電機定子機座水平振動探討[J].水電站機電技術(shù),2011,34(05):29-32.

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

[3]姬升陽,李政卿,胡成學(xué).三峽水電站發(fā)電機轉(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)電機組動力學(xué)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2003.

TV738

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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，從事水電站機電設(shè)備管理工作。