風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡工藝

蔡衛(wèi)國(guó)

(中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西西安710018)

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡工藝

蔡衛(wèi)國(guó)

(中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西西安710018)

以轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡理論為基礎(chǔ)，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)平衡為案例，闡述了高速動(dòng)平衡工藝方法，對(duì)高速動(dòng)平衡中出現(xiàn)的不同情況進(jìn)行了總結(jié)分析，為今后動(dòng)平衡工作提供指導(dǎo)。

動(dòng)平衡；柔性；振動(dòng)；高速

0 引言

雙饋發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大會(huì)直接影響機(jī)組的安全與可靠運(yùn)行。引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大的因素很多，如轉(zhuǎn)子的不平衡、軸承質(zhì)量不穩(wěn)定、殼體的剛性差等。其中轉(zhuǎn)子不平衡是引起振動(dòng)的主要原因之一。轉(zhuǎn)子不平衡對(duì)電機(jī)的影響有以下三方面：(1)使電機(jī)振動(dòng)值超標(biāo)，引起噪聲或者使電機(jī)性能下降；(2)誘發(fā)其他激振因素；(3)大幅度降低電機(jī)的使用壽命，因此要對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡進(jìn)行校正，而動(dòng)平衡是消除不平衡振動(dòng)的主要手段。

1 動(dòng)平衡工藝方法

在動(dòng)平衡工藝過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通常被認(rèn)為是剛性的，因此只需要低速下做動(dòng)平衡即可滿足要求。但也有在平衡后電機(jī)振動(dòng)仍然超出允許的振動(dòng)值。當(dāng)排除其他的振動(dòng)原因后，在提高平衡精度的前提下，并未能解決問(wèn)題，振動(dòng)依然很大，可以判定該電機(jī)轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下屬于撓性轉(zhuǎn)子，必須進(jìn)行高速動(dòng)平衡才能真正解決振動(dòng)問(wèn)題。

撓性轉(zhuǎn)子之所以發(fā)生撓性變形，是由于轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生塑性或彈性變形所致。塑性變形時(shí)由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸在高速運(yùn)行時(shí)發(fā)生了位移或變形所致，比如電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形或位移；而彈性變形則由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，在額定轉(zhuǎn)速下整體發(fā)生了彈性變形。轉(zhuǎn)子的撓性變形一般有三階振型，如圖1所示。

1.1 剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子

1.1.1 剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡前后殘余不平衡量不隨轉(zhuǎn)速的升高而發(fā)生變化。所以使用低速動(dòng)平衡可以達(dá)到平衡的效果。

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

(1)振動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

撓性轉(zhuǎn)子的振動(dòng)可以用下式來(lái)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(zhuǎn)子的一、二、三階臨界轉(zhuǎn)速；ω—轉(zhuǎn)速。由式⑴可以得出振幅與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，如圖2所示。

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

(2)振動(dòng)的波形為正弦波。

(3)當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，振動(dòng)的幅值、相位較穩(wěn)定。

2 不平衡過(guò)程、分析

2.1 設(shè)備

HD60VS硬支撐臥式動(dòng)平衡機(jī);轉(zhuǎn)子：1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

2.2 平衡過(guò)程

支撐位置選擇軸承位置；首臺(tái)轉(zhuǎn)子在600rpm，初始不平衡量300g，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1900rpm時(shí)，初始不平衡量達(dá)到2374g；不平衡量隨著轉(zhuǎn)速的升高增幅很大，因此判斷該轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子。

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

在平衡前對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行超速試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如圖3所示(振幅-轉(zhuǎn)速圖)，平衡機(jī)及轉(zhuǎn)子組成的平衡系統(tǒng)在1600～2100rpm時(shí)為振動(dòng)波動(dòng)區(qū)域(有撓性變形)，而平衡轉(zhuǎn)速正好在這一區(qū)域內(nèi)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1900rpm，正好在這一區(qū)域。

小批量轉(zhuǎn)子做完平衡后，電機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大部分電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)，不合格比例達(dá)76%；轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是引起振動(dòng)超標(biāo)的主要因素之一，在排除其他直觀的因素后，對(duì)轉(zhuǎn)子重新校驗(yàn)動(dòng)平衡，轉(zhuǎn)速選擇避開(kāi)平衡系統(tǒng)波動(dòng)較大的區(qū)域，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在不同平衡轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)情況，確定平衡轉(zhuǎn)速為1500rpm，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行重新動(dòng)平衡校正，后續(xù)的電機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)振動(dòng)仍然超標(biāo)，因此該方法沒(méi)有解決電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)的根本原因。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子在滑環(huán)端軸伸較長(zhǎng)，且直徑φ70尺寸較小，而在前期動(dòng)平衡過(guò)程中，為了不損傷電機(jī)軸伸端外圓，平衡時(shí)選用非傳動(dòng)端(滑環(huán)端)轉(zhuǎn)軸與平衡機(jī)萬(wàn)向節(jié)連接，連接部位轉(zhuǎn)軸剛性差是引起平衡質(zhì)量不穩(wěn)定的因素之一，且電機(jī)在振動(dòng)試驗(yàn)中，振動(dòng)超標(biāo)基本都在滑環(huán)端；因此調(diào)整平衡工藝，新制作動(dòng)平衡工裝，使平衡機(jī)與傳動(dòng)端軸伸連接，注意平衡過(guò)程中保護(hù)傳動(dòng)端軸伸面。

按照多轉(zhuǎn)子平衡方法，對(duì)動(dòng)平衡工藝改進(jìn)如下：(1)轉(zhuǎn)子與平衡機(jī)萬(wàn)向節(jié)連接部位進(jìn)行調(diào)整；(2)平衡轉(zhuǎn)速選擇與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速相同；(3)平衡工藝：①600rpm下進(jìn)行動(dòng)平衡，殘余量小于10g；②1900rpm下進(jìn)行動(dòng)平衡，不平衡殘余量小于5g；轉(zhuǎn)子裝配動(dòng)平衡工藝進(jìn)行改進(jìn)后，電機(jī)在后續(xù)的振動(dòng)試驗(yàn)中，振動(dòng)值全部符合要求。

2.3 數(shù)據(jù)分析：轉(zhuǎn)子1900rpm轉(zhuǎn)速下動(dòng)平衡滿足要求后，取18臺(tái)轉(zhuǎn)子記錄在600rpm下不平衡量及相位，建立圖表見(jiàn)圖5、圖6。

其中系列1為1900rpm時(shí)轉(zhuǎn)子殘余不平衡量，系列2為600rpm時(shí)轉(zhuǎn)子不平衡量數(shù)據(jù)，系列3為600rpm時(shí)轉(zhuǎn)子不平衡量平均值。根據(jù)圖表可知，系列2數(shù)據(jù)均大于系列1數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，撓性轉(zhuǎn)子進(jìn)行準(zhǔn)高速平衡后，轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)值比在工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)值大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動(dòng)值會(huì)逐漸降下來(lái)。

剛性轉(zhuǎn)子平衡的目的是消除轉(zhuǎn)子上的不平衡力和不平衡力偶，而柔性轉(zhuǎn)子平衡的目的是消除不平衡力、不平衡力偶和出現(xiàn)的n階振型不平衡量；柔性轉(zhuǎn)子在高速動(dòng)平衡后，轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)增加了n階振型不平衡量，因此殘余不平衡量會(huì)增加。

3 結(jié)語(yǔ)

1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡工藝的應(yīng)用，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造領(lǐng)域是一項(xiàng)技術(shù)提升。柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí)選擇轉(zhuǎn)軸剛性較好的一端與萬(wàn)向節(jié)連接可得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡采用多轉(zhuǎn)速的平衡方法，可有效避免高轉(zhuǎn)速下設(shè)備和產(chǎn)品的損傷。

柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡后，低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)值比在工作轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)振動(dòng)值大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動(dòng)值會(huì)逐漸降下來(lái)。

[1] 楊國(guó)安.轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡使用技術(shù).北京：中國(guó)石化出版社，2012.

[2] 牟發(fā)海.汽輪發(fā)電機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2008.

[3] 劉洪文.淺談高速動(dòng)平衡在工藝上的選擇.防爆電機(jī)，2007.

[4] 施維新.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)機(jī)事故.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[5] 鄧旺群.轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性及動(dòng)平衡研究綜述.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)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(wèi)國(guó) 男 1984年生；畢業(yè)于西安理工大學(xué)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2016-06-30