發電機定子鐵芯穿心螺桿振動分析及對策

向春德

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)）

發電機定子鐵芯穿心螺桿振動分析及對策

向春德

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)）

發電機定子鐵芯采用穿心螺桿的固定方式，有利于鐵芯的壓緊，但是穿心螺桿孔位于鐵芯軛部，螺桿要穿入鐵芯，螺桿和孔之間必須留有一定間隙，螺桿的實際固定點只有上下兩點，如設計不當，運行時容易在鐵芯激振頻率作用下產生振動甚至共振，危害很大。本文分析了穿心螺桿發生振動的原因，并提出了對策。

定子鐵芯；穿心螺桿；激振頻率；共振；對策

發電機定子鐵芯如果沒有可靠壓緊，在電磁轉矩和定轉子間的徑向交變磁場的作用下，會造成疊片損壞并磨損破壞線棒絕緣，最終造成發電機事故。所以鐵芯裝壓質量的優劣，直接影響到發電機的安全運行。

定子鐵芯采用穿心螺桿的固定方式，有利于鐵芯的壓緊，但是穿心螺桿孔位于鐵芯軛部，螺桿要穿入鐵芯，螺桿和孔之間必須留有一定間隙。通常是在螺桿外加絕緣套管后與鐵芯間單邊還有1mm左右間隙，穿心螺桿只有上下兩端固定，在鐵芯長度方向上沒有支撐，處于懸空狀態，如果鐵芯較長，穿心螺桿固有頻率又設計不當，在鐵芯電磁激勵頻率下，會在長度方向產生振動撞擊鐵芯發出響聲，進而損壞螺桿絕緣，甚至引起共振造成螺桿斷裂，危害很大。

本文通過對A電站穿心螺桿斷裂事故進行分析，計算了穿心螺桿固有頻率，以及針對B電站廠內真機鐵損試驗時螺桿異響，進行了固有頻率計算、振動試驗數據分析，找到了故障發生的原因并提出了提高穿心螺桿固有頻率的方法。

1 A電站定子穿心螺桿斷裂事故

電站在定子吊出后，發現定子鐵芯有斷裂掉下的穿心螺桿部件，見圖1。

圖1 穿心螺桿事故照片

1.1 事故狀態穿心螺桿固有頻率計算

因事故發生時，機組已運行近4年，經核算螺桿受力，均在螺桿材料強度的安全范圍內。所以從振動失效思路出發，對螺桿固有頻率進行了計算（表1）。

表1 穿心螺桿固有頻率 Hz

從穿心螺桿振動頻率計算結果看出，螺桿在設計有拉緊力下的固有頻率為138.21Hz，已經避開了螺桿激振力2倍頻（100Hz），螺桿的振動不會造成危害。

但是穿心螺桿把緊力在機組長期運行后會因為鐵芯振動和沖片漆膜收縮等原因使把緊力降低；從固有頻率計算結果看出，當穿心螺桿把緊力低于設計要求時，其固有頻率會下降，在把緊力為零時，已非常接近激振力2倍頻（100Hz），會引起螺桿較大振動；所以該螺桿斷裂現象是一個逐步惡化的過程，較大的振動會在個別螺桿的最小截面應力集中處出現疲勞斷裂。

對事故機組鐵芯拆卸時檢查未斷裂穿心螺桿的把緊力矩發現，平均拆卸力矩為170Nm，大部份螺桿把緊力已經小于設計力矩值220Nm，降低了20%以上。

1.2 穿心螺桿軸向增加固定點時的固有頻率計算（表2）

表2 增加軸向固定點后穿心螺桿固有頻率 Hz

從計算結果看出，增加5支點后螺桿固有頻率大幅度提高，無論是在正常拉緊力作用下還是拉緊力失效情況下，穿心螺桿固有頻率均遠離了100Hz。

2 B電站鐵損試驗時穿心螺桿發生振動噪聲

該機組額定頻率為60Hz，鐵損試驗先按50Hz進行試驗時發現穿心螺桿處有不同程度的噪聲，為分析此現象，進行了螺桿固有頻率計算、并測量了鐵損試驗時的鐵芯振動頻率。

2.1 穿心螺桿軸向無支點和5支點情況下固有頻率計算（圖2，圖3，表3，表4）

圖2 穿心螺桿軸向無支點示意圖

圖3 穿心螺桿軸向5支點示意圖

表 3 軸向無支點固有頻率計算結果 Hz

表4 軸向5支點固有頻率計算結果 Hz

2.2 測量了定子鐵芯鐵損試驗時的振動頻譜

從鐵芯鐵損振動試驗可知，50Hz鐵損試驗振動幅值主要以100Hz為主、60Hz鐵損試驗振動幅值主要以120Hz為主，240Hz、480 Hz振動幅值很小。

2.3 發電機額定工況下氣隙激振力諧波計算

額定運行時，發電機氣隙激振力諧波主要由定子磁場、轉子磁場、氣隙磁導諧波等相互作用。計算結果看出, 該機組額定運行時(額定頻率為60Hz)，發電機激振力波為0節點、頻率為360Hz和168節點、頻率為120Hz。負載情況下，負序電流激振力波為0節點、頻率120Hz。

3 結論

只有當外界激勵力頻率和鐵芯穿心螺桿固有頻率一致時才可能發生共振。穿心螺桿在無支點時存在240Hz左右的頻率（見表3），穿心螺桿中間加5個支點后，避開了240Hz，但存在480Hz左右的固有頻率（見表4）；通過電磁計算，機組額定運行時，發電機激力頻率為360Hz，負載情況下負序電流激勵力波頻率為120Hz，不存在240Hz、480Hz的激勵力，機組運行時穿心螺桿不會發生240Hz、480Hz頻率共振。

從鐵芯鐵損振動試驗可知，50Hz鐵損試驗振動幅值主要以100Hz為主、60Hz鐵損試驗振動幅值主要以120Hz為主，240Hz、480Hz振動幅值很小，而穿心螺桿在軸向無支點時存在90 Hz、240Hz左右的頻率（見表3），這就是鐵損試驗穿心螺桿產生不同程度噪聲的原因。在軸向增加5支點后，螺桿固有頻率大幅度提高，完全避開了240Hz，而480Hz傳給穿心螺桿的振動能量較小，所以穿心螺桿軸向增加5支點后，鐵損試驗時穿心螺桿不會因此發生較大的振動。

4 穿心螺桿振動問題的對策

如前所述，穿心螺桿軸向僅在兩端固定時，螺桿固有頻率較小且接近低階電磁激振頻率，為了避免因安裝以及長期運行可能造成的把緊力下降引起固有頻率降低，接近電磁激力頻率而造成螺桿噪音甚至斷裂的問題，需要在設計時盡量提高螺桿的固有頻率，在不改變設計方案的情況下（比如增加螺桿直徑和加大把緊力，當然這兩種方式對于提高固有頻率效果并不夠好），采取措施增加穿心螺桿的軸向固定點。

穿心螺桿軸向和鐵芯之間首先必須可靠絕緣，然后再在穿心螺桿絕緣外包扎有一定彈性的材料，填充螺桿和鐵芯間的間隙，既增加了軸向支撐點，又能滿足安裝要求。這種結構已經在上述機組中實施，實施效果很好。

TM311

A

1671-0711（2017）07（上）-0146-02