周 波，王 偉，劉 潔

(1． 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040； 2． 中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司，成都 610041)

0 引言

白鶴灘電站發(fā)電機(jī)是世界上首個(gè)單機(jī)容量突破1 000 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，哈電承擔(dān)了右岸8臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造。白鶴灘發(fā)電機(jī)不僅設(shè)計(jì)、制造難度大，而且為創(chuàng)建精品工程，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行性能也提出了更高的要求。

根據(jù)GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》，定子鐵心部位機(jī)座水平振動(dòng)的雙振幅值為0.02～0.04 mm。2010年之前多數(shù)電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也基本都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座多采用斜元件結(jié)構(gòu)(柔性定子機(jī)座)。隨著國(guó)內(nèi)巨型水輪發(fā)電機(jī)組電站數(shù)量的增加，在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)軸承振動(dòng)、擺度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，多臺(tái)機(jī)組存在定子機(jī)座水平振動(dòng)明顯超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍的情況。振動(dòng)頻率為機(jī)組的轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，屬于低頻振動(dòng)。

1 定子低頻振動(dòng)超標(biāo)原因的簡(jiǎn)要分析

根據(jù)電站在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定子低頻振動(dòng)主要特征是振動(dòng)頻率為機(jī)組的轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍，振動(dòng)幅值最大達(dá)到0.2 mm以上。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，引發(fā)水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座低頻振動(dòng)的主要原因有水力、機(jī)械和電磁三種。其中水力、機(jī)械引起的振動(dòng)特征與電站實(shí)測(cè)的振動(dòng)情況明顯不符，基本可以排除。電磁振動(dòng)分為兩種，一種是極頻振動(dòng)，一種是轉(zhuǎn)頻振動(dòng)。極頻振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)并伴有較高的電磁噪聲，該特征與電站實(shí)測(cè)的振動(dòng)情況也明顯不符，定子低頻振動(dòng)偏大決非此原因。轉(zhuǎn)頻振動(dòng)是由定、轉(zhuǎn)子不圓或轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生電磁不平衡力引起的電磁振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為機(jī)組轉(zhuǎn)頻和轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，且偏心磁拉力會(huì)引起定子水平振動(dòng)，該特征與電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常吻合。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究及數(shù)據(jù)核對(duì)，最終確認(rèn)定、轉(zhuǎn)子氣隙不均勻所產(chǎn)生的電磁不平衡力是引起定子低頻振動(dòng)的主要振源。

哈電對(duì)已運(yùn)行的巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座低頻振動(dòng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(具體數(shù)據(jù)見表1)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看出，采用了柔性結(jié)構(gòu)的定子機(jī)座均不同程度存在定子低頻振動(dòng)偏大的現(xiàn)象，說(shuō)明在外載荷一定的情況下，定子機(jī)座采用柔性設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致定子低頻振動(dòng)幅值加大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還顯示出，同樣的定子機(jī)座結(jié)構(gòu)，同一電站定子低頻振動(dòng)幅值也相差較大，說(shuō)明發(fā)電機(jī)安裝質(zhì)量對(duì)定子低頻振動(dòng)會(huì)有較大的影響。

表1 典型巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座振動(dòng)實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)

2 降低定子低頻率振動(dòng)的措施

柔性定子機(jī)座雖然存在無(wú)法削弱定子低頻振動(dòng)幅值的缺點(diǎn)，但也具有能有效防止定子鐵心翹曲和變形的顯著優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)有限元方法對(duì)柔性定子機(jī)座進(jìn)行疲勞計(jì)算，結(jié)果顯示：定子機(jī)座低頻振動(dòng)對(duì)機(jī)組的壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性基本沒有影響。因此，柔性機(jī)座仍是巨型發(fā)電機(jī)常用結(jié)構(gòu)。降低定子低頻振動(dòng)的措施需要從減小定、轉(zhuǎn)子氣隙不均勻度方面來(lái)考慮。

雖然定子低頻振動(dòng)對(duì)機(jī)組的影響微乎其微，但白鶴灘作為世界上首個(gè)單機(jī)容量1 000 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行性能提出了更高的要求。白鶴灘機(jī)組精品標(biāo)準(zhǔn)中明確要求定子低頻振動(dòng)幅值要低于0.08 mm。為滿足此項(xiàng)要求，需要提前做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，盡量降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子低頻振動(dòng)的幅值。

降低定子低頻振動(dòng)的幅值，主要需要提高定、轉(zhuǎn)子安裝精度，盡量減少定、轉(zhuǎn)子不圓度。這雖然與安裝的質(zhì)量關(guān)系較大，但設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)同樣能提高定、轉(zhuǎn)子的安裝精度，降低安裝難度。

2．1 提高定子鐵心圓度的措施

根據(jù)白鶴灘發(fā)電機(jī)精品安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，定子內(nèi)圓半徑與設(shè)計(jì)半徑偏差為±0.7 mm，同時(shí)要求定子鐵心圓度不大于0.6 mm。此項(xiàng)要求極為嚴(yán)格，要想達(dá)到精品要求，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝幾個(gè)方面共同努力。

為了確保定子沖片疊片質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，定子沖片相關(guān)尺寸增加了公差要求，沖片內(nèi)徑公差為±0.3 mm，鴿尾槽距公差為±0.04 mm，鴿尾槽、槽形尺寸公差為0～0.08 mm，較以往制造規(guī)范的公差要求有所提升。同時(shí)，對(duì)鴿尾筋的制造形位公差也提高了要求，扭斜由原來(lái)的0.3 mm/m提高到0.05 mm/m；直線度和平面度均由原來(lái)的0.1 mm/m提高到0.05 mm/m；同時(shí)增加了全長(zhǎng)扭斜、直線度和平面度的要求。

目前白鶴灘機(jī)組已完成全部定子鐵心疊裝，其中首臺(tái)機(jī)定子鐵心圓度實(shí)測(cè)0.58 mm，滿足精品標(biāo)準(zhǔn)要求的0.6 mm，其他機(jī)組的定子鐵心尺寸及圓度也均滿足精品安裝要求。

2．2 提高轉(zhuǎn)子圓度的措施

為了保證轉(zhuǎn)子安裝圓度，對(duì)轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁軛與磁極的連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)均做了優(yōu)化。

轉(zhuǎn)子支架的主立筋采用工地現(xiàn)場(chǎng)加工，盡可能的保證了轉(zhuǎn)子支架與磁軛連接鍵槽的徑向尺寸精度，從而確保磁軛疊片的質(zhì)量及熱打鍵緊量。

白鶴灘機(jī)組磁軛高度3 700 mm，正常情況下這么高的磁軛很難保證安裝的垂直度。在設(shè)計(jì)時(shí)，采用了兩段磁軛結(jié)構(gòu)，從而有效減小了磁軛沿軸向高度方向徑向尺寸的偏差。

改進(jìn)傳統(tǒng)巨型機(jī)組磁極與磁軛連接的鴿尾結(jié)構(gòu)，采用大T尾結(jié)構(gòu)，磁極鍵為通長(zhǎng)、向后打鍵結(jié)構(gòu)。在保證靜態(tài)安裝圓度的情況下，也能極大減小運(yùn)行時(shí)磁極的徑向變形，同時(shí)在磁軛與磁極之間增加了調(diào)整墊片，可以更好地保證轉(zhuǎn)子的安裝圓度。

目前白鶴灘電站已完成全部機(jī)組轉(zhuǎn)子安裝，所有機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度均優(yōu)于精品標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中首臺(tái)機(jī)轉(zhuǎn)子圓度實(shí)測(cè)0.37 mm，遠(yuǎn)優(yōu)于精品標(biāo)準(zhǔn)要求的0.7 mm，表明哈電的設(shè)計(jì)措施對(duì)提高安裝質(zhì)量效果明顯。

3 機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)及處理措施

白鶴灘電站安裝了在線監(jiān)測(cè)元件，可以在線查看機(jī)組運(yùn)行時(shí)各主要部件的振動(dòng)、擺度以及轉(zhuǎn)子上部周向不同位置上的氣隙值和轉(zhuǎn)子圓度，見圖1和圖2。

圖1 機(jī)組運(yùn)行時(shí)主要部件的振動(dòng)和擺度

圖2 機(jī)組運(yùn)行時(shí)氣隙值和轉(zhuǎn)子圓度

截止2022年1月，白鶴灘右岸已有3臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，1臺(tái)機(jī)組涉網(wǎng)運(yùn)行，2臺(tái)機(jī)組進(jìn)入運(yùn)行調(diào)試。

調(diào)試期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在未加勵(lì)磁時(shí)，定子低頻振動(dòng)幅值基本在10 μm左右，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的配重對(duì)定子低頻振動(dòng)幅值影響也非常小。而在加勵(lì)磁電流之后，隨著勵(lì)磁電流的升高，定子低頻振動(dòng)幅值有明顯增加，充分驗(yàn)證了定子低頻振動(dòng)主要就是由定、轉(zhuǎn)子偏心電磁拉力引起的。

上述6臺(tái)機(jī)組調(diào)試期間，在首次加入空載勵(lì)磁電流后，各機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度(不同磁極下最大、最小氣隙差值)、定子機(jī)座水平振動(dòng)幅值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 各機(jī)組定子機(jī)座水平振動(dòng)值

表2數(shù)據(jù)顯示：14#機(jī)、15#機(jī)、16#機(jī)和11#機(jī)的定子低頻振動(dòng)幅值均小于0.08 mm，其中15#機(jī)和16#機(jī)更為理想，振動(dòng)幅值均在0.03 mm以內(nèi)。但13#機(jī)低頻振動(dòng)幅值已非常接近0.08 mm，12#機(jī)低頻振動(dòng)幅值更是超過(guò)了0.1 mm。

數(shù)據(jù)還顯示：12#機(jī)處理前運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)氣隙的最大最小值差值為0.79 mm，13#機(jī)處理前運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)氣隙的最大最小值差值為0.66 mm，而16#機(jī)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)氣隙的最大最小值差值只有0.3 mm。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，12#機(jī)和13#機(jī)均存在多個(gè)連續(xù)磁極處氣隙尺寸均偏小現(xiàn)象(12#機(jī)的7-21號(hào)磁極，13#機(jī)的26-34號(hào)磁極)。經(jīng)過(guò)分析，確定13#機(jī)和12#機(jī)定子低頻振動(dòng)幅值偏大是由于轉(zhuǎn)子不圓所造成，需要拔出部分磁極重新安裝來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子的圓度。根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重新調(diào)整磁極與磁軛之間的墊片尺寸，將氣隙偏小的磁極位置的墊片尺寸減小0.5 mm。最終，13#機(jī)處理了9個(gè)磁極，12#機(jī)處理了11個(gè)磁極，在重新調(diào)整了轉(zhuǎn)子整體圓度后，13#機(jī)處理后運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)氣隙的最大最小值差值為0.5 mm，12#機(jī)處理后運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)氣隙的最大最小值差值為0.61 mm。13#、12#機(jī)的定子低頻振動(dòng)幅值均降至0.05 mm以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)白鶴灘右岸前6臺(tái)機(jī)的運(yùn)行、調(diào)試及相關(guān)的處理措施，已經(jīng)可以確定，引起定子低頻振動(dòng)的主要原因是定、轉(zhuǎn)子氣隙不均勻度造成的，特別是轉(zhuǎn)子的不圓度影響更大。斜元件定子機(jī)座對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不圓度反應(yīng)比較敏感，在定、轉(zhuǎn)子安裝尺寸均滿足精品要求情況下，仍有可能出現(xiàn)定子低頻振動(dòng)幅值超標(biāo)的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子安裝過(guò)程中，在保證轉(zhuǎn)子圓度的情況下，還要避免出現(xiàn)相鄰多個(gè)磁極徑向尺寸同時(shí)偏大的情況。

白鶴灘右岸機(jī)組的安裝，驗(yàn)證了哈電設(shè)計(jì)優(yōu)化措施的有效性，為安裝成精品機(jī)組創(chuàng)造了有利條件，機(jī)組運(yùn)行時(shí)的定子低頻振動(dòng)幅值基本控制在0.05 mm以內(nèi)。同時(shí)也為后續(xù)機(jī)組的安裝提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

目前，白鶴灘右岸已正式投運(yùn)的3臺(tái)機(jī)組中，15#、16#機(jī)組運(yùn)行的數(shù)據(jù)及性能都非常好，特別是16#機(jī)，不僅定子低頻振動(dòng)控制在0.03 mm以內(nèi)，同時(shí)發(fā)電機(jī)上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度也基本控制在0.05 mm左右，創(chuàng)造了精品機(jī)組中精品。