水電站發電機運行異常噪聲成因分析

林巧鋒，韋正鵬，張 恒，劉 陽，陳春生

(1.福建華電福瑞能源發展有限公司福建分公司，福建 福州 350000；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310012；3.峽陽水力發電廠，福建 南平 353000)

水電站中發電機的主要作用是將機械能轉換成電能，其性能的好壞直接影響著電站的生產效益[1-4]，因此越來越的工程技術人員與專家對發電機展開深入研究。李偉力[5]等人以SF320-48/12800型水輪發電機為例，采用數值模擬計算方法研究轉子迎風面和背風面不均勻表面散熱系數比對電機轉子中部及端部溫度場的影響，以及轉子磁極表面的附加損耗對轉子溫度場的影響得到了轉子溫度場的分布規規律，張治忠[6]等人對某水電站發電機滑環原有碳粉吸收裝置進行分析，得出該裝置的缺陷并對其結構進行優化改進，使得裝置在全封閉和大功率環境下吸塵率達到99%，有效解決粉塵回收問題，改善設備運行環境，降低了人員工作量。劉健[7]針對龍灘水電站發電機軸承甩油原因進行分析與論證，并提出相關解決措施與優化方案，在機組檢修期間按照其措施與優化方案進行改造，后經過一段時間運行后機組甩油現象明顯好轉。姜美武[8]等人針對賀社水電站3臺630 kW水輪發電機空載運行時產生的電磁噪聲過大問題在對其電磁噪聲數據進行實測的基礎上就電磁噪聲過大的原因進行了分析、研究與判定，并通過電磁計算，采用改變發電機定子槽數的辦法徹底解決了定、轉子槽的配合不當問題將定子固有頻率與磁場的激振力頻率相近引起共振造成的電磁噪聲控制在標準范圍之內。侯俊龍[9]等人通過對某水電站發電機定轉子擋風板結構進行分析，得出機組運行過程中振動大、異響等缺陷的原因，并根據分析結論對發電機定轉子擋風板進行結構優化，最終有效解決了機組運行過程中的缺陷。童鑫紅[10]等人針對G水電站1號發電機較大的噪音和振動問題進行測試，測試表明噪音中心頻率為630 Hz，機座徑向振動的主要頻率為100 Hz與600 Hz.本文對1號發電機異常振動及高頻噪音問題進行成因分析計算并提出改造方案。王燕青[11]分析機組產生噪聲的原因后，并提出了相關降低噪聲的一些具體措施。徐曉生[12]等人分析中小型水電站水輪發電機噪聲的類型及產生原因介紹針對這些噪聲的不同降噪措施以及控制噪聲傳播的途徑和方法，通過實測數據說明不同降噪措施有顯著的效果。

本文針對峽陽水電站3號發電機運行過程中的異常噪聲現象，采用現場測量與仿真計算相結合的方法進行分析，探索機組在運行過程中產生異常噪聲的原因，并根據分析結果，為峽陽水電站3號發電機改造提出相關建議，通過現場測量數據與仿真計算結合方法可排除兩者之間的誤差，可為分析結果排除誤差因子，保證分析結果的準確性，為后續電站改造提供可參考依據。

1 測量數據分析

峽陽水電站位于福建省南平市境內，為河床式水電站，是以發電、航運相結合的水資源綜合利用樞紐工程[13]，電站裝有3臺貫流式水輪發電機組，其3號發電機的具體參數如表1所示。

表1 峽陽水電站3號發電機參數

1.1 定轉子間隙測量分析

首先在機坑內逐個轉動磁極，對定轉子間隙做間接測量。在定子某個磁極上尋找一個參考點，逐個轉動磁極，進而測量出轉子圓度；在轉子磁極上尋找一參考點，磁極轉動一圈，間接得出定子圓度[14]。把機坑內得到的定轉子圓度值按磁極號對應，找出最小氣隙值。測量結果發現發電機定轉子上下游側間隙不相同，且數值相差較大，最終上游側最小間隙為6.28 mm，平均氣隙為9.68 mm，下游側最小間隙為3.78 mm，平均氣隙為7.85 mm。

通過定轉子間隙計算得出機坑內定子圓度為3.24 mm，轉子圓度為1.9 mm。根據測量數據進行數據擬合，得到3號發電機定轉子上下游側圓度圖，如圖1所示，從圖1(a)中可以看出轉子上下游圓度擬合曲線差異更為明顯，其中上游側變大，下游側變小，從圖1(b)中可以看出定子上下游圓度曲線趨勢基本一致，且與平均圓度基本吻合，因此可以初步判斷發電機轉子運行軌跡存在較大變形。

圖1 機坑內定轉子圓度

1.2 安裝間的數據測量分析

將定子鐵芯吊出機坑，再次測量其圓度。發現在安裝間定子平均圓度值是0.72 mm，與機坑內(3.24 mm)相比變化較大，且安裝間定子圓度圖與機坑內相比，不只是圓度更好，而且一系列的尖點(內凹和外凸)的差異也比機坑內更小。

針對這兩種測量之間的差異，可能存在兩種原因。一是氣隙測量存在偏差，不足以反應定轉子真實的幾何形狀；二是座環引起定子基座較大的變形。如果在機坑內定子發生了變形，則有必要使用液壓千斤頂調整定子機座相對于轉子的中心及圓度。

1.3 歷史數據對比分析

考慮到間隙測量計算定子圓度與安裝間定子圓度測量的差異，對歷史測量數據進行分析。如圖2所示，比較2017年和2019年定子測量數據，發現定子圓度惡化，圓度值從0.68 mm到3.57 mm，同時2020年與2019年數據分布趨勢類似。

圖2 定子圓度測量

查閱2020年3月車間轉子支架測量數據并擬合數據曲線，同時將上下游側數據進行疊合，如圖3所示轉子支架測量數據行程8節點模型圖，由圖可得出轉子支架上、下圓度偏差較大，說明轉子支架變形明顯。

圖3 上下游測量數據疊加效果

2 轉子有限元分析

2.1 載荷分布與靜應力分析

為進一步探究確定發電機在運行過程中產生異常噪聲的原因，研究正常運行范圍內的額定工況與極限工況下對轉子的影響，利用三維建模軟件構建了包含軸線、軸承和磁極在內的仿真度極高的的轉子有限元模型[15]。表2為計算過程中不同工況下轉子所受載荷。

表2 轉子運行過程中所受載荷

如前所述施加載荷對轉子進行靜應力計算，其計算如圖4所示。從圖中可以看出，轉子在額定工況下的最大徑向位移為2.3 mm，最大綜合應力為103.72 MPa；轉子在極限工況下的最大位移為3.7 mm，最大綜合應力為115.24 MPa。兩種工況下最大位移位置與最大綜合應力位置分別相同，最大位移位置發生在轉子磁極下游側，最大綜合應力位置發生在轉子支架，且在兩種工況下轉子都具有較好的剛度與強度。因此可以排除轉子在運行過程中由于受力而導致變形，進而與定子發生摩擦產生異常噪聲。

圖4 靜應力計算結果

2.2 模態分析

基于靜應力計算結果的基礎下，對轉子在額定工況下進行模態分析，探究轉子在額定工況運行狀態下的結構特性。記錄前8階頻率如表3所示，轉子轉速為85.7 rpm，其轉動頻率為1.43 Hz，與轉子在額定工況下前8階固有頻率各不相同，且相差較大，因此可以排除轉子與轉動頻率發生共振導致異常噪聲。

表3 轉子在額定工況下前8階固有頻率

根據模態計算結果對轉子前8階振型進行分析發現，轉子第8階振型與2020年3月測量數據分布圖(如圖3)基本一致，額定工況下轉子第8階振型與振動位移趨勢如圖5所示，因此可以判斷峽陽電站3號發電機在運行過程中由于轉子振動導致導致轉子機坑內留下的轉子圓度差，長時間的不規則振動引發轉子與定子之間可能存在一定的摩擦，進而產生異常響動。

圖5 轉子8階振型結果

3 結 語

通過對峽陽水電站3號發電機轉子進行測量數據分析與有限元計算分析，得出如下結論，并根據分析結果提出如下建議。

1)對電站3號發電機測量數據分析發現轉子上下游側圓度差異較大，機組在運行過程中轉子可能存在不規則振動，轉子運行軌跡存在較大變形。

2)在數據分析的基礎之上對3號發電機轉子進行靜應力分析得出轉子在額定工況與極限工況下剛強度滿足設計要求。根據模態分析得出轉子振型與2020年3月轉子圓度測量數據分布趨勢圖一致，因此判斷發電機是由于轉子不規則振動導致異常噪聲。

3)由于目前發電機轉子支架是采用非對稱性結構設計，因此建議對轉子支架結構進行優化，可嘗試采用對稱性結構，改變轉子支架的固有頻率與振型，降低轉子振動的概率。