大型水輪發電機組發電機轉子測圓方法淺析

張海宏，肖金磊

（中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北 宜昌443002）

1 引言

機組在長期運行過程中，受到電磁力、機械力等因素的影響，轉子圓度可能會發生變化，轉子磁極不圓是導致大型水輪發電機組定子與轉子間空氣間隙不均勻的主要因素之一，轉子圓度直接影響轉子的機械性能和電磁性能，進而影響機組的安全穩定運行。轉子測圓的目的在于檢查轉子圓度是否在標準范圍之內。

利用旋轉測圓架對發電機轉子進行測圓，首先要對測圓架的中心、水平進行安裝和調整，測圓架的水平與中心不僅精度要求高，且水平調節和中心調節相互影響、互相干涉，致使轉子測圓工作效率不高。本文通過對轉子測圓方法的誤差分析與計算，基于excel計算對轉子測圓過程中產生的誤差進行控制，并通過轉子測圓補償測量法，提高測圓數據的有效性和準確性。

2 轉子旋轉測圓架

轉子旋轉測圓架由底座、回裝中心體、拉緊裝置以及配重臂、測量臂等部件組成。如圖1所示，通過調整配重臂使測圓架受力均勻，減少了測圓架固定部分和旋轉部分的受力不均，進而減少誤差。用百分表進行測量，精度高，便于靈活控制。

目前廣泛使用的轉子旋轉測圓架為中空測圓架，即測圓架有求心設計，目的是使測圓架的中心可以進行調整，使測圓架中心與轉子同心。

圖1 轉子旋轉測圓架示意圖

3 測圓方法簡介及分析

3.1 測圓方法簡介

將測圓架置于轉子上方，在測圓架上、中、下三個位置上架設百分表，表針垂直于磁極表面；在測圓架中心體內架設鋼琴線，反復調整測圓架，使測圓架與轉子中心同軸；使用合像水平儀測量測圓架水平，并反復調整測圓架拉緊裝置直到使測圓架與轉子平行。試轉一周，檢驗測圓架是否靈活以及有無憋勁現象以及百分表回零情況，再旋轉測圓架進行轉子測圓并記錄數據。

對于中心不能使用鋼琴線調整的測圓架，測圓架水平合格后，先旋轉測圓架一圈進行測量并記錄數據。通過數據分析，選取垂直對稱4個方向偏差最大值為基準，調整其中心為0，再進行測圓，得出的數據也可反映轉子圓度。由于其測量精度不高，目前使用較少。

3.2 誤差分析

不考慮測圓架強度和本身缺陷，即認為測圓架旋轉時測量臂所有測點軌跡為圓，圓中心線為測圓架中心體的中心線，誤差來源主要有測圓架中心、水平調整帶來的誤差以及百分表在磁極表面測點位置不一致產生的誤差。

（1）測圓架中心調整誤差。如圖2所示，即測圓架實際中心與轉子中心未重合，存在一定的偏差值。測圓架安裝中心偏差直接影響測圓架測量臂與磁極表面測點的距離，影響測圓數據。假設測圓架實際中心與理想中心在某方向上偏差0.01 mm，則測圓數據在該方向上偏差可達到0.02 mm。

圖2 測圓架中心偏差

（2）測圓架水平調整誤差。測圓架與轉子不平行，測圓架實際水平值存在一定偏差，致使測量臂與磁極形成一定角度且垂直距離發生改變，影響測圓數據。測圓架水平不合格，相當于測圓架從水平位置旋轉了一個角度，導致測量臂測點位置與轉子磁極的水平距離和測量角度均發生變化，進而導致測量偏差。

圖3 測圓架水平偏差

設測圓架水平調整偏差為Δz mm/m，不考慮其他因素。設轉子直徑為Φ1，轉子高度為h1，則測點與測圓架水平偏差中心夾角為，測圓架旋轉平面與轉子中心的偏差角為則偏差后的連線角為

因為水平偏差，測圓架支臂端點在水平方向上的位移為：

測量臂上的百分表測量的是測量臂端點與磁極表面的傾斜距離，則測量偏差為

由于測圓架水平偏差一般較小，一般都控制在0.05 mm/m以內，可以近似認為測圓架的圓度測量偏差Δa就是測量臂端點在水平方向上的位移，即Δs=Δa。

以葛洲壩電站機組發電機轉子參數來進行理論計算分析為例，具體參數如下：

轉子直徑為14960 mm，轉子高度為1850 mm，假設測圓架水平調整偏差為0.01 mm/m。

通過上述公式計算，不考慮其他因素影響的前提下，可以得出測量值偏差基本與測圓架水平偏差成正比關系，水平偏差每偏差0.01 mm/m，對應圓度測量值偏差0.01 mm。

（3）百分表測點位置偏離磁極中心產生的誤差。如圖4所示。不考慮磁極本身因素的影響，同樣以葛洲壩電站發電機轉子參數進行理論計算分析為例。轉子半徑為7480 mm，轉子磁極沖片外圓弧半徑為1320 mm，設測點位置偏離磁極中心1 mm。由于偏離距離遠小于轉子半徑，可簡化計算得到測量偏差為=0.00038 mm，從而得出，在不考慮其他因素影響的前提下，百分表測點位置偏離磁極中心誤差達到5 mm時，圓度測量偏差達到0.01 mm。

圖4 百分表測點偏差示意圖

4 轉子測圓的修正測量法

補償測量法主要對測圓方法中測圓架的安裝調整簡化，并在得到數據后進行后期處理，以達到提高效率的目的。測圓架調整的主要難度在于測圓架水平和中心調整的相互干擾，因此將其調整過程簡化為只進行水平調整，測圓架的中心偏差作為最后計算的修正量。

調整測圓架水平合格，調整測圓架鋼琴線位于測圓架旋轉中心體中心。測量鋼絲線與轉子中心體垂直四個方向上的距離，得到測圓架相對轉子的中心偏差。旋轉測圓架一圈進行測量，記錄數據。通過excel表格對數據進行修正計算，從而得到轉子圓度數據。

本測量法的誤差主要來源是測圓架中心調整由原來調整到（0，0）到現在記錄一個具體值（x，y）。

5 轉子測圓方法優化改進及分析

測圓架水平合格的前提下，測圓架的中心偏差除了通過使用內徑千分尺測得外，也可通過在旋轉中心體上安裝一個可拆卸類似于測量臂的支架，在支架上架設百分表，旋轉測量其到轉子中心體內鏜口的距離，并記錄相應磁極位置處轉百分表的讀數。對所有數據組進行修正計算，從而得到轉子圓度數據。

現假設轉子測圓架水平調整完成之后，假設測圓架中心測得為（Δsx，0），磁極數為n，轉子半徑為S。

圖5

對于第m號磁極上的測量點D，則θ=∠DBX=，以 A（0，0），則 B（Δx，0），C（Scosθ，Ssinθ），

以葛洲壩電站發電機轉子為例，依次計算96個磁極，在0.01 mm中心偏差下的補償量分布如圖6。

圖6

本測量方法對轉子磁極和轉子中心體內鏜口同時進行測圓。在測圓架中心與理論中心偏差為（0.01 mm，0）的情況下，可以計算出對轉子中心體測圓數據，見圖7。

圖7

比較數據發現，對轉子中心體測圓的數據與測圓中心調整后數據基本一致，經過excel計算，兩者的差距最大值小于10-7mm。因此，在這種測量方法中，可以直接將每個磁極測圓數據和轉子中心體內鏜口的百分表數據相減，可得到最終測圓數據。省去測圓架中心的反復調整，而理論上誤差僅為0.01 mm。

6 結語

對比傳統方法，優化后的轉子測圓方法，簡化了工藝流程，省去了中心調整過程，計算簡潔直觀，提高了轉子測圓的效率和轉子測圓數據的準確性。