定子鐵芯振動問題分析

吳建洪，呂桂英（中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，湖北　宜昌　443002）

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定子鐵芯振動問題分析

吳建洪，呂桂英（中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，湖北宜昌443002）

本文主要介紹大型水輪發(fā)電機(jī)組定子鐵芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子鐵芯振動問題，以比較常見的振動為例，根據(jù)傳感器測量的振動波形、頻率等數(shù)據(jù)信息，研究分析振動類型及主要振源，并按照分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)處理。

定子鐵芯；振動；擺度；噪音；頻率

1　概述

隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步，大型機(jī)械裝備制造水平的不斷提高，目前，我國水電開發(fā)均以大、中型水電站為主，超大水電站、巨型水輪發(fā)電機(jī)組，如已建的三峽、龍灘、溪洛渡、向家壩等水電站。

大、中型容量水輪發(fā)電機(jī)組多為半傘、立軸混流式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)也基本相似。按照現(xiàn)在加工制造水平，以及已經(jīng)相對成熟的安裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組投運(yùn)的技術(shù)難題基本攻克，各界關(guān)注重心已經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)組設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行，以及設(shè)備正常運(yùn)行壽命等問題。而考核機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的主要機(jī)械指標(biāo)，如各部位振動、擺度，以及噪音等。

作為水輪發(fā)電機(jī)重要部件之一，發(fā)電機(jī)定子既是一個機(jī)械載重體，也是電能產(chǎn)生源與載體，所以其受到機(jī)械力、電磁力的多重作用。因此，定子運(yùn)行狀況很重要，如振動、噪音、溫度等，直接影響到其使用壽命。

2　定子鐵芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

目前，絕大多數(shù)定子鐵芯均采用浮動式雙鴿尾結(jié)構(gòu)，主要是為了消除由于定子鐵芯熱膨脹內(nèi)力帶來的負(fù)效應(yīng)，防止造成鐵芯翹曲變形。機(jī)座與鐵芯間一般采用浮動式雙鴿尾結(jié)構(gòu)，通常稱為活筋結(jié)構(gòu)，其定子鐵芯與機(jī)座形成冷態(tài)相對固定，熱態(tài)時(shí)可以由于受熱情況不同而產(chǎn)生微量相對位移。定子鐵芯一般由冷軋涂漆硅鋼片交錯疊壓而成，利用定位筋定位，在上、下端裝設(shè)壓板，再用壓緊螺栓壓緊，使其構(gòu)成一個整體，并設(shè)有彈性墊圈或疊簧，這樣在機(jī)組長期運(yùn)行后，可以釋放一部分彈性量，以防止定子鐵芯松動。

按照定子鐵芯壓緊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為穿心式和背拉式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1

背拉式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：壓緊螺栓在鐵芯背部，利用壓板末端的頂絲支撐，將螺栓的壓緊力傳遞到鐵芯上。壓緊過程中要利用頂絲調(diào)整壓板水平度，對定子鐵芯半徑和外觀尺寸產(chǎn)生影響較大。

穿心式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：壓緊螺栓從鐵芯沖片中間穿過，直接將壓緊力作用在鐵芯上。壓緊螺栓需要與定子機(jī)座及鐵芯進(jìn)行絕緣處理，絕緣保護(hù)比較復(fù)雜、難度也比較大，而且在機(jī)組長期運(yùn)行后，絕緣容易被損壞，造成穿心螺栓導(dǎo)電發(fā)熱，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

3　定子鐵芯振動問題分析

3.1振動測量

振動形式可以分為自由振動、強(qiáng)迫振動、自激振動三類。

振動的三要素：振幅、頻率、相位。所有復(fù)雜振動均可分解成多個簡諧運(yùn)動的合成，最基本的簡諧運(yùn)動形式：

式中：A——振幅，位移的最大值；

f——頻率，單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)；

φ——相位。

目前，對于設(shè)備振動測量，通常采用電渦流傳感器、速度傳感器進(jìn)行測量。電渦流傳感器主要用于大軸徑向振動測量，水輪機(jī)組固定部件振動測量一般選用速度傳感器。但是，定子受到電磁力的影響，也有高頻振動存在，有時(shí)也采用加速度傳感器進(jìn)行測量。

在傳感器采集到數(shù)據(jù)后，可以分別計(jì)算出A、f、φ，其中φ數(shù)據(jù)還要另外利用鍵相與傳感器采集一個原始角度。

為了確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，除了對多次數(shù)據(jù)采集進(jìn)行對比外，針對定子鐵芯振動問題，可以考慮采用多組傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。相比軸系擺度測量的90°相位差測量而言，定子鐵芯振動測量采用120°相位差、圓周3組分布更具有可信性、對比性。對于定子鐵芯徑向、軸向振動應(yīng)分別測量。

定子鐵芯振動測量，測點(diǎn)布置圖可以參考圖2?？紤]到垂直方向振動最大點(diǎn)一般在鐵芯上部，徑向振動最大點(diǎn)一般在鐵芯中部。

圖2　定子鐵芯振動測量布置圖

3.2振動分析與判斷

通過數(shù)據(jù)測量，并利用相應(yīng)儀器進(jìn)行初步分析，可以首先分析振動的幅值大小，即振動強(qiáng)弱，判斷其危害性。當(dāng)然，其強(qiáng)弱也只是相對的，可能因測量儀器等方面問題，存在一定誤差。本文中對振動幅值不做重點(diǎn)分析。

其次，分析振動的頻率問題，按照諧振運(yùn)動分析，f也為一常量，比較簡單。但事實(shí)上，振動頻率往往是一個比較復(fù)雜的組合體，任何部件的振動都是多頻率振動綜合結(jié)果，可能由某一個或多個頻率振動主導(dǎo)，兼有其它多種輔頻。為了便于對振動性質(zhì)進(jìn)行分析、診斷，一般以轉(zhuǎn)動頻率為基準(zhǔn)，將振動頻率分解為1倍、2、3、…n倍轉(zhuǎn)頻，典型的頻譜圖如圖3所示。

圖3　典型振動頻譜圖

3.3振動問題診斷與一般解決方法

3.3.1定子鐵芯緊度或自身原因

對于任何物體，包括組合件，都有其固定的振動頻率。以定子本體為例，其所有零部件均有自振頻率，組合成整體后，且因其緊度，如螺栓緊度、線棒嵌入緊度將直接影響整體的振動頻率。因此，定子的自振頻率可以通過鐵芯壓緊螺栓緊度、槽楔緊度進(jìn)行調(diào)整。

因?yàn)槎ㄗ幼哉耦l率是固定，外界條件變化不改變其振動頻率，其判斷方法也比較簡單?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)速變化、勵磁以及負(fù)荷大小變化，測量定子振動，分析其振動或主振頻率、幅值是否有變化，判斷定子振動是否為自由振動。

3.3.2外因引起的受迫振動

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，受到外來周期性、持續(xù)的力作用，定子產(chǎn)生振動，統(tǒng)稱為受迫振動或強(qiáng)迫振動。這種外力主要來自轉(zhuǎn)子與定子電磁力，電磁力不平衡導(dǎo)致定子受外力周期變化。

當(dāng)定、轉(zhuǎn)子之間電磁力不平衡時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其不平衡力有規(guī)律性的變化，對定子產(chǎn)生周期振動。振動頻率成分一般為轉(zhuǎn)動頻率的整數(shù)倍，典型的振動頻譜圖，如圖4所示。

圖4　振動波形圖

其次，通過對振動波形進(jìn)行錄制，可以看出波峰、波谷的位置，結(jié)合相位測量，可以準(zhǔn)確判斷電磁力不平衡點(diǎn)。從而根據(jù)不平衡點(diǎn)，進(jìn)行原因查找，消除問題。

以圖4為例，是一個典型的以四倍轉(zhuǎn)頻為主的振動波形圖，波峰、波谷相位角依次為258°、303°。以此，可以判斷258° 與303°方位處電磁力最大不平衡點(diǎn)。但是，由于定子為圓形結(jié)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電磁力作用，對定子產(chǎn)生影響有一定的滯后性。其滯后角度可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，經(jīng)驗(yàn)參考值建議取1～14°。

通過計(jì)算、分析，確定引起振動的振源大致方位，再按照初定的方位進(jìn)行原因查找。根據(jù)振動的周期性特性，振動源一般出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子上，尤其是轉(zhuǎn)子磁極，比較常見問題：轉(zhuǎn)子磁極圓度突變、磁極短路或匝間短路等。但是，也有的振動頻率由定子繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，其頻率一般為電網(wǎng)頻率（50Hz）整數(shù)倍，其消除方法，必須通過修改定子繞組接線方式來解決。

3.3.3共振問題

共振是一個部件或多個部件（組合）的固有頻率引起的，所有的構(gòu)件有一個共振頻率。共振產(chǎn)生原因，當(dāng)受迫頻率接近（+/-10%）結(jié)構(gòu)件固定頻率時(shí)，便會發(fā)生機(jī)械共振，其頻率不會改變，振動強(qiáng)度會增大，甚至大幅增加。

但是，共振不會引起振動，而是增強(qiáng)振動幅值。正因?yàn)槿绱耍瑱z查共振的方法，一般通過減小或消除受迫振動源，有時(shí)也可以通過改變受迫振動源或自振源的頻率，錯開共振區(qū)。

4　結(jié)語

隨著國內(nèi)水電工程不斷建設(shè)，各種型式水輪發(fā)電機(jī)組相繼投產(chǎn)，在機(jī)組安裝、調(diào)試及運(yùn)行的過程中出現(xiàn)了一些問題，也解決了一些技術(shù)難題。對于定子鐵芯振動問題，越來越顯得重要，機(jī)組經(jīng)過多年運(yùn)行后，定子鐵芯疊片變薄，軸向剛度降低，產(chǎn)生的振動增加，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致齒部損壞，其振動頻率一般為機(jī)頻，并伴有電磁噪音，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

本文結(jié)合近幾年水電站機(jī)電設(shè)備安裝運(yùn)行情況，總結(jié)定子振動測量、解決方法，為今后同類機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行提供借鑒。通過對發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的研究與分析，總結(jié)大型水輪發(fā)電機(jī)組安裝、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有利于水輪發(fā)電機(jī)組遇到相關(guān)技術(shù)問題時(shí)，能更好地進(jìn)行全面分析，并解決相關(guān)技術(shù)難題。

吳建洪（1976-），男，高級工程師，本科，主要從事水電站機(jī)電設(shè)備安裝運(yùn)行管理工作。

TM303.3

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2095-2066（2016）13-0010-02

2016-4-10