賀建華，陳昌林，鐸 林，張?zhí)禊i，張景林

（東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

三峽右岸15～18號發(fā)電機(jī)振動(dòng)及噪聲優(yōu)化改進(jìn)

賀建華，陳昌林，鐸 林，張?zhí)禊i，張景林

（東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

針對三峽右岸15～18號發(fā)電機(jī)及左岸VGS發(fā)電機(jī)投運(yùn)后振動(dòng)和噪聲偏大現(xiàn)象，進(jìn)行了全面系統(tǒng)的測試及理論分析。發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁方案存在設(shè)計(jì)缺陷，是引起100Hz電磁振動(dòng)和噪聲的內(nèi)在根源，定轉(zhuǎn)子不圓（氣隙不均勻）是引起發(fā)電機(jī) 1～3倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)的主要原因，同時(shí)認(rèn)識到了結(jié)構(gòu)及安裝精度對機(jī)組的振動(dòng)擺度會(huì)產(chǎn)生較大影響。通過更改發(fā)電機(jī)定子接線方式解決了100Hz電磁振動(dòng)和噪聲問題，控制安裝質(zhì)量和改進(jìn)發(fā)電機(jī)部分結(jié)構(gòu)等措施大幅降低了發(fā)電機(jī) 1～3倍轉(zhuǎn)頻的低頻振動(dòng)幅值和混頻幅值，從根本上解決了上述發(fā)電機(jī)振動(dòng)和噪聲問題。

發(fā)電機(jī)；電磁振動(dòng)和噪聲；定子接線改進(jìn)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 概況

東方電機(jī)有限公司（簡稱東電）獨(dú)立承擔(dān)了三峽右岸4臺(tái)機(jī)組（15～18號機(jī)）的設(shè)計(jì)制造合同，18號、17號機(jī)組于2007年投產(chǎn)發(fā)電，16號、15號機(jī)組于2008年投產(chǎn)發(fā)電。右岸發(fā)電機(jī)沿用了左岸VGS發(fā)電機(jī)電磁方案和主要結(jié)構(gòu)，只重點(diǎn)對推力軸承、匯流銅環(huán)及影響生產(chǎn)、安裝質(zhì)量的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。首臺(tái)18號機(jī)于2007年10月投入運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)振動(dòng)和噪聲偏大，對比測試VGS左岸發(fā)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)存在振動(dòng)噪聲偏大的共性，站在18號機(jī)蓋板上麻腳感和聽到的“嗡嗡”聲直觀感覺更強(qiáng)烈些。

為此，東方電機(jī)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的測試及理論計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)VGS發(fā)電機(jī)電磁方案存在設(shè)計(jì)缺陷，是引起100Hz電磁振動(dòng)和噪聲的內(nèi)在根源，它是左、右岸發(fā)電機(jī)的電磁共性。同時(shí)認(rèn)識到了結(jié)構(gòu)及安裝精度對機(jī)組的綜合振動(dòng)、軸系擺度會(huì)產(chǎn)生較大影響。于是根據(jù)機(jī)組安裝進(jìn)度具體情況采取對應(yīng)措施進(jìn)行改進(jìn)。17號發(fā)電機(jī)通過安裝及改進(jìn)部分結(jié)構(gòu)等措施大幅度降低了混頻振動(dòng)幅值和噪聲，但沒有從根源上消除100Hz電磁振動(dòng)。16號、15號發(fā)電機(jī)進(jìn)一步采取改進(jìn)定子接線的措施，消除了電磁振動(dòng)，使機(jī)組振動(dòng)、擺度和噪音水平達(dá)到優(yōu)良水平。在2008年12月完成了18號發(fā)電機(jī)的改進(jìn)，解決了其電磁振動(dòng)和噪聲問題。同時(shí)17號發(fā)電機(jī)定子繞組改接線也在2009年3月完成。這樣?xùn)|電設(shè)計(jì)制造的三峽右岸4臺(tái)發(fā)電機(jī)通過優(yōu)化改進(jìn)，從根源上消除了VGS三峽發(fā)電機(jī)方案存在的電磁振動(dòng)及噪聲問題。

2 振動(dòng)分析及改進(jìn)方案

2.1 振動(dòng)現(xiàn)象分析

為解決18號機(jī)振動(dòng)偏大問題，東電在相關(guān)單位的配合下進(jìn)行了一系列的測試，主要包括：18號機(jī)與左岸3號、7號機(jī)對比振動(dòng)測試、18號機(jī)定轉(zhuǎn)子圓度測量、100Hz電磁振動(dòng)測試、噪音測試等，結(jié)合電磁振動(dòng)機(jī)理對測試結(jié)果進(jìn)行分析并得出以下結(jié)論：

（1）通過振動(dòng)、噪音測量及頻譜分析將 18號機(jī)的振動(dòng)歸納為兩類：

a) 一類是低頻率的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，主要為1～3倍轉(zhuǎn)頻（1.25Hz）振動(dòng)，其中2倍轉(zhuǎn)頻（2.5Hz）振幅在空載100%Ue時(shí)高達(dá)54μm。其特點(diǎn)是空轉(zhuǎn)時(shí)很小，空載時(shí)隨著勵(lì)磁電流（即發(fā)電機(jī)電壓）的增加而變大，負(fù)載時(shí)不同負(fù)荷情況下其幅值基本不變；

b) 另一類是高頻率的極頻振動(dòng)，主要為100Hz振動(dòng)，其特點(diǎn)是在空載時(shí)振幅很小，隨著負(fù)載的增加而增加，在機(jī)組帶 700MW 負(fù)載時(shí)，鐵心水平振動(dòng)幅值達(dá)到47.7μm。這種100Hz鐵心激振能量大（與頻率平方成正比），帶動(dòng)鄰近部件共振，通過上機(jī)架傳遞到蓋板，引發(fā)蓋板共振產(chǎn)生較大噪音。

（2）對比測試表明左、右岸發(fā)電機(jī)具有的共性：

a) 定子鐵心 100Hz振動(dòng)偏大，幅值普遍在 40～50μm左右；

b) 電磁噪音偏大，普遍在80dB(A)左右；

c) 直觀振感明顯：蓋板、端罩等部件共振強(qiáng)烈，“麻腳”、“嗡嗡”電磁噪聲明顯。

（3）左、右岸發(fā)電機(jī)具有的個(gè)性：

a) 18號與3號機(jī)低頻（1～3倍轉(zhuǎn)頻）振動(dòng)偏大，7號機(jī)低頻振動(dòng)正常，說明低頻振動(dòng)與設(shè)計(jì)方案沒有必然聯(lián)系，同安裝精細(xì)程度有關(guān)；

b）低頻振動(dòng)雖然幅值大但能量并不大，所以直觀上感覺并不強(qiáng)烈。

結(jié)論：100Hz高頻振動(dòng)偏大是VGS發(fā)電機(jī)電磁方案存在的共性問題。同時(shí)，左、右岸發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)對安裝狀態(tài)反應(yīng)較敏感。

表1 18號與左岸3號機(jī)振動(dòng)測試數(shù)據(jù)對比（其中 轉(zhuǎn)頻fr＝1.25Hz） μm

2.2 低頻（1～3倍轉(zhuǎn)頻）振動(dòng)原因分析及改進(jìn)措施

當(dāng)轉(zhuǎn)子不圓造成氣隙不均時(shí)，對氣隙數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換發(fā)現(xiàn)存在一系列幾何尺寸諧波（也即磁場作用時(shí)的磁導(dǎo)諧波），在勵(lì)磁磁勢作用下,氣隙中就會(huì)產(chǎn)生一系列的低次諧波磁場，這些諧波磁場與主波磁場相互作用而產(chǎn)生力波，從而引發(fā)低頻電磁振動(dòng)，這是水輪發(fā)電機(jī)中低頻電磁振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因。

通過對18號機(jī)定、轉(zhuǎn)子圓度實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在較大的不圓度，特別是轉(zhuǎn)子的凸輪和橢圓形狀比較明顯，對其進(jìn)行傅立葉分析，其中 1、2、3對極幾何尺寸諧波幅值最大，也即產(chǎn)生的 1、2、3對極諧波磁場最強(qiáng)，與主波磁場（40對極）作用就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的1～3倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)。

由振動(dòng)幅值計(jì)算原理可知，振動(dòng)幅值 Am與力波節(jié)點(diǎn)對數(shù)M關(guān)系為：Am ∝1/(M2-1)2，1～3倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)激振力波節(jié)點(diǎn)對數(shù)M=1～3，較小，所以較為敏感。同時(shí)，像三峽這種水冷大機(jī)組，由于電磁負(fù)荷取得較高，徑向磁拉力與磁密平方成正比，一旦轉(zhuǎn)子不圓，不平衡磁拉力就較大，經(jīng)計(jì)算當(dāng)每極突出或凹進(jìn)1mm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1.8t不平衡磁拉力。從轉(zhuǎn)子圓度波形看出，18號圓度較差，可以算出18號機(jī)的不平衡力達(dá)到30t左右，這是18號機(jī)低頻振動(dòng)偏大的主要原因。15號機(jī)通過較好的控制定轉(zhuǎn)子圓度，低頻振動(dòng)幅值很小。18號、15號機(jī)轉(zhuǎn)子圓度對比如圖1和圖2所示：

圖1 15號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度（運(yùn)行時(shí)氣隙測量裝置數(shù)據(jù)）

圖2 18號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度（運(yùn)行時(shí)氣隙測量裝置數(shù)據(jù)）

另外，負(fù)載時(shí)低頻振動(dòng)幅值基本不變，原因是氣隙磁場在空載額定電壓和負(fù)載時(shí)基本維持不變（變化在 5%以內(nèi)），即產(chǎn)生低頻振動(dòng)的激振力波幅值基本不變。

低頻振動(dòng)可以通過控制安裝要求、適度改進(jìn)加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)來改善。為此，在17號、16號、15號發(fā)電機(jī)安裝時(shí)加強(qiáng)了定子迭片、轉(zhuǎn)子磁軛迭片、定轉(zhuǎn)子圓度、軸系及磁軛緊度、增加上機(jī)架支撐等控制措施，實(shí)際效果表明低頻振動(dòng)控制達(dá)到了優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，18號發(fā)電機(jī)改進(jìn)后低頻振動(dòng)也大幅降低，振動(dòng)測試結(jié)果見表5。

2.3 高頻（100Hz）振動(dòng)原因分析及改進(jìn)措施

(1) 振動(dòng)原因分析與判斷

18號機(jī)蓋板上麻腳和聽到“嗡嗡”噪音是高頻電磁振動(dòng)誘發(fā)的結(jié)果。由電磁振動(dòng)原理可知，水輪發(fā)電機(jī)高頻振動(dòng)基本上都是由于定子繞組中流過電流時(shí)產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)諧波磁場與氣隙主波磁場相互作用形成激振力波而引起的，產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波磁場的可能原因有兩個(gè)：

2）二是由于并聯(lián)支路采用集中繞組布置（即將5個(gè)只占圓周部分的并聯(lián)支路并在一起），當(dāng)氣隙不均勻時(shí)，每個(gè)支路感應(yīng)的電勢不一樣，從而在支路間形成環(huán)流，這種環(huán)流在氣隙磁場中會(huì)產(chǎn)生一系列的分?jǐn)?shù)次諧波，與基波相作用形成力波。

由于空載和負(fù)載時(shí)氣隙磁場變化不大，所以并聯(lián)支路環(huán)流變化不大，所引起的振動(dòng)在空載和負(fù)載時(shí)應(yīng)基本不變，即測量空載時(shí)的振動(dòng)就可判斷環(huán)流引起振動(dòng)的大小。從三峽右岸18號機(jī)的振動(dòng)測量情況來看，空載100%Ue時(shí)100Hz振動(dòng)很小，只有1～2μm，因此，可以排除環(huán)流引起振動(dòng)的可能。

綜上所述，引起三峽右岸18號機(jī)100Hz振動(dòng)的最大可能是繞組本身引起的分?jǐn)?shù)次諧波振動(dòng)，這種振動(dòng)隨著負(fù)載的增大（即諧波磁場的加強(qiáng)）而增大，它的振幅主要與定子槽數(shù)Z（三峽右岸18號機(jī)為510槽）、定子繞組接線方式、鐵心疊片后的彈性模量E1等因素有關(guān)。

（2）電磁振動(dòng)分析計(jì)算方法

把定子鐵心和機(jī)座模擬為一個(gè)圓環(huán)，如圖3所示，可以推導(dǎo)出定子鐵心振動(dòng)計(jì)算式：

式中：Fm——力波幅值；E1——定子鐵心彈性模量；M——力波節(jié)點(diǎn)對數(shù)；f——力波振動(dòng)（激振）頻率；f0——對應(yīng)該力波振型的固有頻率； g——重力加速度；G1——定子鐵心和線圈的重量。

圖3

（3）原方案分析

計(jì)算表明，在目前的繞組連接形式下，負(fù)載時(shí)氣隙磁場中存在10、20、50、70、80對極等磁場諧波，即分?jǐn)?shù)次諧波，其中的10、70對極磁場諧波是正轉(zhuǎn)諧波，與主波（40對極）作用產(chǎn)生的激振節(jié)點(diǎn)M很大，由式（1）知不會(huì)引起電磁振動(dòng)，所以不予考慮。20、50、80對極諧波是反轉(zhuǎn)諧波，在定子鐵心中形成的力波節(jié)點(diǎn)數(shù)少，對應(yīng)定子鐵心固有頻率接近100Hz是引起振動(dòng)的主要因素。

鐵心彈性模量E1主要與機(jī)組尺寸、鐵心的疊片方式、質(zhì)量及鐵心壓緊的程度有關(guān)。一般來說，全圓疊片、鐵心壓緊程度好，鐵心彈性模量E1就高，反之E1就低。試驗(yàn)表明正常整圓疊片的中小型機(jī)組的鐵心彈性模量E1在1.2～1.5×106kg/cm2。對于三峽這樣的尺寸特別大的整圓迭片機(jī)組，彈性模量E1在何種范圍有待進(jìn)一步研究。通過對不同的E1取值進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)取E1＝1.2×106kg/cm2時(shí)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值較為吻合。表2為改接線前后定子鐵心振動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

從計(jì)算結(jié)果看，50對極諧波引起的電磁振動(dòng)較大，由于20對極諧波幅值也較大且對彈性模量較敏感，為進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算的可靠性，分別在17號、18號機(jī)進(jìn)行了區(qū)分20和50對極諧波各自引起電磁振動(dòng)大小的補(bǔ)充測試。按力波節(jié)點(diǎn)對數(shù)及空間分布節(jié)距來布置振動(dòng)傳感器，通過信號運(yùn)算可以得到主要諧波引起振動(dòng)幅值大小，見表3。

補(bǔ)充測試結(jié)果表明，去掉50對極磁場諧波引起的振動(dòng)信號后，發(fā)電機(jī)的100Hz電磁振動(dòng)就很小了，表明50對極諧波是引起100Hz電磁振動(dòng)的主要因素，實(shí)測和理論計(jì)算相吻合。

表2 改接線前后定子鐵心振動(dòng)計(jì)算

表3 18號、17號機(jī)主要分?jǐn)?shù)次諧波引起的100Hz電磁振動(dòng)幅值測試結(jié)果 μm

2.4 改進(jìn)方案及措施

從對原方案的分析中可以看出，減小鐵心振動(dòng)幅值有兩種方法：一是削弱磁場諧波的幅值，一是改變鐵心的彈性模量。對三峽右岸發(fā)電機(jī)而言，鐵心都已安裝完畢，改變鐵心的彈性模量較為困難，只有通過改接線來實(shí)現(xiàn)削弱50對極磁場諧波。這樣，16號、15號機(jī)可結(jié)合機(jī)組安裝進(jìn)度通過改變下線方式方便實(shí)施，18號、17號則需通過改造定子繞組來實(shí)現(xiàn)。

通過對多個(gè)方案的對比計(jì)算分析，改動(dòng)原方案的“10+7”接線大小相帶布置方式，采用新的大小相帶布置效果較好（見表2），引起電磁振動(dòng)的50對極磁場諧波被大大削弱，幅值由5.28%降到0.688%。同時(shí)20對極磁場諧波幅值也略有降低，由6.4%降到6.075%，定子鐵心振動(dòng)計(jì)算值由 46.3μm降到 6.53μm。充分考慮新的接線方式不會(huì)帶來副作用，即不產(chǎn)生更多其他磁場諧波，因此，此方案是可行可靠的。

該改動(dòng)方案由于繞組利用率降低 1.85%，會(huì)引起電磁參數(shù)及溫升發(fā)生一些小的變化，計(jì)算表明在1%～2%左右，因此，對發(fā)電機(jī)主要性能參數(shù)影響甚微。具體見表4：

按照上述原理及方案，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下改進(jìn)：

（1）定子線棒：

16號、15號機(jī)實(shí)施改進(jìn)方案時(shí)還沒下線，完全利用原線棒，下線時(shí)只需改變引出線線棒在槽中位置來實(shí)現(xiàn)方案更改。18號、17號機(jī)通過新設(shè)計(jì)并更換部分引線線棒來更改。

（2）銅環(huán)、跨接線及引水管

重新設(shè)計(jì)更改銅環(huán)、跨接線及引水管，原設(shè)計(jì)跨接線為6槽距，改接線后跨接線為跨20槽距。

（3）上蓋板

由原三段蓋板48塊改為整體蓋板16塊組成，厚度由100mm加大到200mm，與電站其他廠商機(jī)組相當(dāng)，這樣可大大降低上蓋板的受迫振動(dòng)和因此產(chǎn)生的噪音。

表4 改接線后參數(shù)的變化

圖3 原接線圖（局部）

圖4 修改后接線圖（局部）

3 右岸發(fā)電機(jī)改進(jìn)方案實(shí)施效果

通過改接線、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、提高安裝質(zhì)量等措施，三峽右岸發(fā)電機(jī)從根源上消除了電磁振動(dòng)，降低了機(jī)組振動(dòng)、擺度和噪聲。

3.1 總體效果

改進(jìn)后的右岸機(jī)組振動(dòng)、擺度及噪聲達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，完全可與右岸其他廠商機(jī)組媲美。機(jī)座中部振動(dòng)對比見表5。

（1）發(fā)電機(jī)100Hz高頻電磁振動(dòng)基本消除；

（2）發(fā)電機(jī)噪聲大幅下降近4～6dB(A)；

（3）發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)（1～3倍轉(zhuǎn)頻）大幅下降50%～80%

（4）機(jī)組擺度明顯優(yōu)于左岸機(jī)組：三導(dǎo)擺度基本在150um以下，左岸機(jī)組最大達(dá)到400μm以上；

（5）機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)、安靜。 “麻腳”、“嗡嗡”等直觀感覺消除。

表5 額定負(fù)載定子機(jī)座中部徑向振動(dòng)比較 μm

3.2 高頻（100Hz）振動(dòng)改善效果

（1）定子鐵心100Hz振動(dòng)從原方案的45～50um降至10um以下，削弱幅度達(dá)88%，與理論分析計(jì)算相符。定子機(jī)座及相鄰部件100Hz振動(dòng)得到明顯削弱，各機(jī)組定子鐵心100Hz振動(dòng)測試對比見表6。

（2）發(fā)電機(jī)蓋板、端罩等部件高頻振感消除。

表6 發(fā)電機(jī)定子鐵心100Hz振動(dòng)改進(jìn)測試結(jié)果對比

3.3 發(fā)電機(jī)噪音改善效果

（1）蓋板上噪音：測量方法，按國標(biāo)GB10069.2-88測量蓋板上方1m高一周均勻測量16點(diǎn)，算出平均值。結(jié)果見表7，發(fā)電機(jī)噪音大幅降低，相對于18號機(jī)改前和左岸機(jī)組下降4～6dB(A)。

（2）風(fēng)洞內(nèi)噪音：測量方法，上風(fēng)洞內(nèi)側(cè)距地面1m高均勻測量16點(diǎn)，算出平均值。結(jié)果表明，機(jī)坑內(nèi)噪音從18號機(jī)改前97.3 dB(A)降至改后96.2 dB(A)，降低1.1dB(A)，其中100Hz噪音分量降低78.8%，優(yōu)于左岸機(jī)組。

表7 右岸和左岸發(fā)電機(jī)噪聲測試結(jié)果對比 dB(A)

4 結(jié)論

三峽右岸發(fā)電機(jī)采用了改進(jìn)方案后，成功解決了18號的振動(dòng)和噪音問題，而且也發(fā)現(xiàn)了左岸VGS機(jī)組存在的電磁設(shè)計(jì)缺陷，為其解決提供了方案。同時(shí)為700MW級及以上的大型水電機(jī)組振動(dòng)、擺度及噪音達(dá)到優(yōu)良水平提供了系統(tǒng)的解決方案與措施。

Improvement and Optimization for Vibration and Noise Performance of No. 15～18 Power Generating Unit of Three Gorges Right Bank Power Plant

HE Jian-hua, CHEN Chang-lin, DUO Lin, ZHANG Tian-peng, ZHANG Jing-lin
（Dongfang Electric Machinery Co., Ltd., Deyang 618000, China）

A comprehensive and systematic testing and theoretical analysis were carried out on the abnormal vibration and noise level of generating Unit 15～18 at Right Bank Power Plant and 6 generators supplied by VGS Consortium for the Left Bank Power Plant. It was found that the electromagnetic design was the inherent cause for 100Hz electromagnetic vibration and noise, while the roundness deviations of both stator and rotor (uneven air gap) are the major reason to cause vibration of generators with 1～3 multiple rotating frequency. It was also found that the mechanical structure and installation accuracy of the units also produce rather impact on unit vibration and run-out. By changing the generator stator connections, the 100Hz electromagnetic vibration and noise were completely eliminated, while by controlling the installation quality and improving generator mechanical structure, the 1～3 multiple rotating frequency vibration amplitude and mixed-frequency amplitude were significantly reduced. Consequently, the above-mentioned abnormal vibration and noise of generators were basically resolved.

generator; electromagnetic vibration and noise; improvement of stator connections;structural optimization

TM312

A

1000-3983(2010)01-0013-06

2009-03-31

[修改稿日期]2009-12-25

賀建華（1962-），1984年畢業(yè)于重慶大學(xué)電機(jī)專業(yè)，1990年畢業(yè)于華中科技大學(xué)電機(jī)專業(yè)碩士，現(xiàn)在讀華中科技大學(xué)博士，長期從事大型發(fā)電設(shè)備的理論研究和設(shè)計(jì)開發(fā)，東方電機(jī)有限公司總工程師，教授級高級工程師。