林巧鋒，韋正鵬，張 恒，劉 陽(yáng)，陳春生

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

水電站中發(fā)電機(jī)的主要作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，其性能的好壞直接影響著電站的生產(chǎn)效益[1-4]，因此越來(lái)越的工程技術(shù)人員與專(zhuān)家對(duì)發(fā)電機(jī)展開(kāi)深入研究。李偉力[5]等人以SF320-48/12800型水輪發(fā)電機(jī)為例，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法研究轉(zhuǎn)子迎風(fēng)面和背風(fēng)面不均勻表面散熱系數(shù)比對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子中部及端部溫度場(chǎng)的影響，以及轉(zhuǎn)子磁極表面的附加損耗對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的影響得到了轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的分布規(guī)規(guī)律，張治忠[6]等人對(duì)某水電站發(fā)電機(jī)滑環(huán)原有碳粉吸收裝置進(jìn)行分析，得出該裝置的缺陷并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得裝置在全封閉和大功率環(huán)境下吸塵率達(dá)到99%，有效解決粉塵回收問(wèn)題，改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，降低了人員工作量。劉健[7]針對(duì)龍灘水電站發(fā)電機(jī)軸承甩油原因進(jìn)行分析與論證，并提出相關(guān)解決措施與優(yōu)化方案，在機(jī)組檢修期間按照其措施與優(yōu)化方案進(jìn)行改造，后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后機(jī)組甩油現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。姜美武[8]等人針對(duì)賀社水電站3臺(tái)630 kW水輪發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲過(guò)大問(wèn)題在對(duì)其電磁噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上就電磁噪聲過(guò)大的原因進(jìn)行了分析、研究與判定，并通過(guò)電磁計(jì)算，采用改變發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)的辦法徹底解決了定、轉(zhuǎn)子槽的配合不當(dāng)問(wèn)題將定子固有頻率與磁場(chǎng)的激振力頻率相近引起共振造成的電磁噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。侯俊龍[9]等人通過(guò)對(duì)某水電站發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)大、異響等缺陷的原因，并根據(jù)分析結(jié)論對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終有效解決了機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的缺陷。童鑫紅[10]等人針對(duì)G水電站1號(hào)發(fā)電機(jī)較大的噪音和振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試表明噪音中心頻率為630 Hz，機(jī)座徑向振動(dòng)的主要頻率為100 Hz與600 Hz.本文對(duì)1號(hào)發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)及高頻噪音問(wèn)題進(jìn)行成因分析計(jì)算并提出改造方案。王燕青[11]分析機(jī)組產(chǎn)生噪聲的原因后，并提出了相關(guān)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(fā)電機(jī)噪聲的類(lèi)型及產(chǎn)生原因介紹針對(duì)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(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明不同降噪措施有顯著的效果。

本文針對(duì)峽陽(yáng)水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的異常噪聲現(xiàn)象，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與仿真計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，探索機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生異常噪聲的原因，并根據(jù)分析結(jié)果，為峽陽(yáng)水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)改造提出相關(guān)建議，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)合方法可排除兩者之間的誤差，可為分析結(jié)果排除誤差因子，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)電站改造提供可參考依據(jù)。

1 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

峽陽(yáng)水電站位于福建省南平市境內(nèi)，為河床式水電站，是以發(fā)電、航運(yùn)相結(jié)合的水資源綜合利用樞紐工程[13]，電站裝有3臺(tái)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其3號(hào)發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 峽陽(yáng)水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)參數(shù)

1.1 定轉(zhuǎn)子間隙測(cè)量分析

首先在機(jī)坑內(nèi)逐個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)磁極，對(duì)定轉(zhuǎn)子間隙做間接測(cè)量。在定子某個(gè)磁極上尋找一個(gè)參考點(diǎn)，逐個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)磁極，進(jìn)而測(cè)量出轉(zhuǎn)子圓度；在轉(zhuǎn)子磁極上尋找一參考點(diǎn)，磁極轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，間接得出定子圓度[14]。把機(jī)坑內(nèi)得到的定轉(zhuǎn)子圓度值按磁極號(hào)對(duì)應(yīng)，找出最小氣隙值。測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子上下游側(cè)間隙不相同，且數(shù)值相差較大，最終上游側(cè)最小間隙為6.28 mm，平均氣隙為9.68 mm，下游側(cè)最小間隙為3.78 mm，平均氣隙為7.85 mm。

通過(guò)定轉(zhuǎn)子間隙計(jì)算得出機(jī)坑內(nèi)定子圓度為3.24 mm，轉(zhuǎn)子圓度為1.9 mm。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到3號(hào)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子上下游側(cè)圓度圖，如圖1所示，從圖1(a)中可以看出轉(zhuǎn)子上下游圓度擬合曲線(xiàn)差異更為明顯，其中上游側(cè)變大，下游側(cè)變小，從圖1(b)中可以看出定子上下游圓度曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，且與平均圓度基本吻合，因此可以初步判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行軌跡存在較大變形。

圖1 機(jī)坑內(nèi)定轉(zhuǎn)子圓度

1.2 安裝間的數(shù)據(jù)測(cè)量分析

將定子鐵芯吊出機(jī)坑，再次測(cè)量其圓度。發(fā)現(xiàn)在安裝間定子平均圓度值是0.72 mm，與機(jī)坑內(nèi)(3.24 mm)相比變化較大，且安裝間定子圓度圖與機(jī)坑內(nèi)相比，不只是圓度更好，而且一系列的尖點(diǎn)(內(nèi)凹和外凸)的差異也比機(jī)坑內(nèi)更小。

針對(duì)這兩種測(cè)量之間的差異，可能存在兩種原因。一是氣隙測(cè)量存在偏差，不足以反應(yīng)定轉(zhuǎn)子真實(shí)的幾何形狀；二是座環(huán)引起定子基座較大的變形。如果在機(jī)坑內(nèi)定子發(fā)生了變形，則有必要使用液壓千斤頂調(diào)整定子機(jī)座相對(duì)于轉(zhuǎn)子的中心及圓度。

1.3 歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析

考慮到間隙測(cè)量計(jì)算定子圓度與安裝間定子圓度測(cè)量的差異，對(duì)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖2所示，比較2017年和2019年定子測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)定子圓度惡化，圓度值從0.68 mm到3.57 mm，同時(shí)2020年與2019年數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)類(lèi)似。

圖2 定子圓度測(cè)量

查閱2020年3月車(chē)間轉(zhuǎn)子支架測(cè)量數(shù)據(jù)并擬合數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，同時(shí)將上下游側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合，如圖3所示轉(zhuǎn)子支架測(cè)量數(shù)據(jù)行程8節(jié)點(diǎn)模型圖，由圖可得出轉(zhuǎn)子支架上、下圓度偏差較大，說(shuō)明轉(zhuǎn)子支架變形明顯。

圖3 上下游測(cè)量數(shù)據(jù)疊加效果

2 轉(zhuǎn)子有限元分析

2.1 載荷分布與靜應(yīng)力分析

為進(jìn)一步探究確定發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生異常噪聲的原因，研究正常運(yùn)行范圍內(nèi)的額定工況與極限工況下對(duì)轉(zhuǎn)子的影響，利用三維建模軟件構(gòu)建了包含軸線(xiàn)、軸承和磁極在內(nèi)的仿真度極高的的轉(zhuǎn)子有限元模型[15]。表2為計(jì)算過(guò)程中不同工況下轉(zhuǎn)子所受載荷。

表2 轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中所受載荷

如前所述施加載荷對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算，其計(jì)算如圖4所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子在額定工況下的最大徑向位移為2.3 mm，最大綜合應(yīng)力為103.72 MPa；轉(zhuǎn)子在極限工況下的最大位移為3.7 mm，最大綜合應(yīng)力為115.24 MPa。兩種工況下最大位移位置與最大綜合應(yīng)力位置分別相同，最大位移位置發(fā)生在轉(zhuǎn)子磁極下游側(cè)，最大綜合應(yīng)力位置發(fā)生在轉(zhuǎn)子支架，且在兩種工況下轉(zhuǎn)子都具有較好的剛度與強(qiáng)度。因此可以排除轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中由于受力而導(dǎo)致變形，進(jìn)而與定子發(fā)生摩擦產(chǎn)生異常噪聲。

圖4 靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.2 模態(tài)分析

基于靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)下，對(duì)轉(zhuǎn)子在額定工況下進(jìn)行模態(tài)分析，探究轉(zhuǎn)子在額定工況運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)特性。記錄前8階頻率如表3所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為85.7 rpm，其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為1.43 Hz，與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率發(fā)生共振導(dǎo)致異常噪聲。

表3 轉(zhuǎn)子在額定工況下前8階固有頻率

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)子前8階振型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子第8階振型與2020年3月測(cè)量數(shù)據(jù)分布圖(如圖3)基本一致，額定工況下轉(zhuǎn)子第8階振型與振動(dòng)位移趨勢(shì)如圖5所示，因此可以判斷峽陽(yáng)電站3號(hào)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由于轉(zhuǎn)子振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)致轉(zhuǎn)子機(jī)坑內(nèi)留下的轉(zhuǎn)子圓度差，長(zhǎng)時(shí)間的不規(guī)則振動(dòng)引發(fā)轉(zhuǎn)子與定子之間可能存在一定的摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生異常響動(dòng)。

圖5 轉(zhuǎn)子8階振型結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)峽陽(yáng)水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)分析與有限元計(jì)算分析，得出如下結(jié)論，并根據(jù)分析結(jié)果提出如下建議。

1)對(duì)電站3號(hào)發(fā)電機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上下游側(cè)圓度差異較大，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子可能存在不規(guī)則振動(dòng)，轉(zhuǎn)子運(yùn)行軌跡存在較大變形。

2)在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之上對(duì)3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜應(yīng)力分析得出轉(zhuǎn)子在額定工況與極限工況下剛強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)模態(tài)分析得出轉(zhuǎn)子振型與2020年3月轉(zhuǎn)子圓度測(cè)量數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)圖一致，因此判斷發(fā)電機(jī)是由于轉(zhuǎn)子不規(guī)則振動(dòng)導(dǎo)致異常噪聲。

3)由于目前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架是采用非對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此建議對(duì)轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可嘗試采用對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)，改變轉(zhuǎn)子支架的固有頻率與振型，降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)的概率。