定子铁芯振动问题分析

吴建洪，吕桂英（中国葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北　宜昌　443002）



定子铁芯振动问题分析

吴建洪，吕桂英（中国葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北宜昌443002）

本文主要介绍大型水轮发电机组定子铁芯结构特点，针对水轮发电机运行时，定子铁芯振动问题，以比较常见的振动为例，根据传感器测量的振动波形、频率等数据信息，研究分析振动类型及主要振源，并按照分析结果进行相应处理。

定子铁芯；振动；摆度；噪音；频率

1　概述

随着现代科学的进步，大型机械装备制造水平的不断提高，目前，我国水电开发均以大、中型水电站为主，超大水电站、巨型水轮发电机组，如已建的三峡、龙滩、溪洛渡、向家坝等水电站。

大、中型容量水轮发电机组多为半伞、立轴混流式结构，结构也基本相似。按照现在加工制造水平，以及已经相对成熟的安装调试经验，机组投运的技术难题基本攻克，各界关注重心已经转向机组设备的长期稳定运行，以及设备正常运行寿命等问题。而考核机组运行稳定的主要机械指标，如各部位振动、摆度，以及噪音等。

作为水轮发电机重要部件之一，发电机定子既是一个机械载重体，也是电能产生源与载体，所以其受到机械力、电磁力的多重作用。因此，定子运行状况很重要，如振动、噪音、温度等，直接影响到其使用寿命。

2　定子铁芯结构特点分析

目前，绝大多数定子铁芯均采用浮动式双鸽尾结构，主要是为了消除由于定子铁芯热膨胀内力带来的负效应，防止造成铁芯翘曲变形。机座与铁芯间一般采用浮动式双鸽尾结构，通常称为活筋结构，其定子铁芯与机座形成冷态相对固定，热态时可以由于受热情况不同而产生微量相对位移。定子铁芯一般由冷轧涂漆硅钢片交错叠压而成，利用定位筋定位，在上、下端装设压板，再用压紧螺栓压紧，使其构成一个整体，并设有弹性垫圈或叠簧，这样在机组长期运行后，可以释放一部分弹性量，以防止定子铁芯松动。

按照定子铁芯压紧的结构特点，分为穿心式和背拉式结构，如图1所示。

图1

背拉式结构特点：压紧螺栓在铁芯背部，利用压板末端的顶丝支撑，将螺栓的压紧力传递到铁芯上。压紧过程中要利用顶丝调整压板水平度，对定子铁芯半径和外观尺寸产生影响较大。

穿心式结构特点：压紧螺栓从铁芯冲片中间穿过，直接将压紧力作用在铁芯上。压紧螺栓需要与定子机座及铁芯进行绝缘处理，绝缘保护比较复杂、难度也比较大，而且在机组长期运行后，绝缘容易被损坏，造成穿心螺栓导电发热，影响机组的稳定运行。

3　定子铁芯振动问题分析

3.1振动测量

振动形式可以分为自由振动、强迫振动、自激振动三类。

振动的三要素：振幅、频率、相位。所有复杂振动均可分解成多个简谐运动的合成，最基本的简谐运动形式：

式中：A——振幅，位移的最大值；

f——频率，单位时间内出现次数；

φ——相位。

目前，对于设备振动测量，通常采用电涡流传感器、速度传感器进行测量。电涡流传感器主要用于大轴径向振动测量，水轮机组固定部件振动测量一般选用速度传感器。但是，定子受到电磁力的影响，也有高频振动存在，有时也采用加速度传感器进行测量。

在传感器采集到数据后，可以分别计算出A、f、φ，其中φ数据还要另外利用键相与传感器采集一个原始角度。

为了确保测量数据的准确性，除了对多次数据采集进行对比外，针对定子铁芯振动问题，可以考虑采用多组传感器数据进行对比。相比轴系摆度测量的90°相位差测量而言，定子铁芯振动测量采用120°相位差、圆周3组分布更具有可信性、对比性。对于定子铁芯径向、轴向振动应分别测量。

定子铁芯振动测量，测点布置图可以参考图2。考虑到垂直方向振动最大点一般在铁芯上部，径向振动最大点一般在铁芯中部。

图2　定子铁芯振动测量布置图

3.2振动分析与判断

通过数据测量，并利用相应仪器进行初步分析，可以首先分析振动的幅值大小，即振动强弱，判断其危害性。当然，其强弱也只是相对的，可能因测量仪器等方面问题，存在一定误差。本文中对振动幅值不做重点分析。

其次，分析振动的频率问题，按照谐振运动分析，f也为一常量，比较简单。但事实上，振动频率往往是一个比较复杂的组合体，任何部件的振动都是多频率振动综合结果，可能由某一个或多个频率振动主导，兼有其它多种辅频。为了便于对振动性质进行分析、诊断，一般以转动频率为基准，将振动频率分解为1倍、2、3、…n倍转频，典型的频谱图如图3所示。

图3　典型振动频谱图

3.3振动问题诊断与一般解决方法

3.3.1定子铁芯紧度或自身原因

对于任何物体，包括组合件，都有其固定的振动频率。以定子本体为例，其所有零部件均有自振频率，组合成整体后，且因其紧度，如螺栓紧度、线棒嵌入紧度将直接影响整体的振动频率。因此，定子的自振频率可以通过铁芯压紧螺栓紧度、槽楔紧度进行调整。

因为定子自振频率是固定，外界条件变化不改变其振动频率，其判断方法也比较简单。可以通过转速变化、励磁以及负荷大小变化，测量定子振动，分析其振动或主振频率、幅值是否有变化，判断定子振动是否为自由振动。

3.3.2外因引起的受迫振动

机组运行时，受到外来周期性、持续的力作用，定子产生振动，统称为受迫振动或强迫振动。这种外力主要来自转子与定子电磁力，电磁力不平衡导致定子受外力周期变化。

当定、转子之间电磁力不平衡时，随着转子旋转，其不平衡力有规律性的变化，对定子产生周期振动。振动频率成分一般为转动频率的整数倍，典型的振动频谱图，如图4所示。

图4　振动波形图

其次，通过对振动波形进行录制，可以看出波峰、波谷的位置，结合相位测量，可以准确判断电磁力不平衡点。从而根据不平衡点，进行原因查找，消除问题。

以图4为例，是一个典型的以四倍转频为主的振动波形图，波峰、波谷相位角依次为258°、303°。以此，可以判断258° 与303°方位处电磁力最大不平衡点。但是，由于定子为圆形结构及整体结构特点，电磁力作用，对定子产生影响有一定的滞后性。其滞后角度可以根据结构特点及经验进行判断，经验参考值建议取1～14°。

通过计算、分析，确定引起振动的振源大致方位，再按照初定的方位进行原因查找。根据振动的周期性特性，振动源一般出现在转子上，尤其是转子磁极，比较常见问题：转子磁极圆度突变、磁极短路或匝间短路等。但是，也有的振动频率由定子绕组结构产生，其频率一般为电网频率（50Hz）整数倍，其消除方法，必须通过修改定子绕组接线方式来解决。

3.3.3共振问题

共振是一个部件或多个部件（组合）的固有频率引起的，所有的构件有一个共振频率。共振产生原因，当受迫频率接近（+/-10%）结构件固定频率时，便会发生机械共振，其频率不会改变，振动强度会增大，甚至大幅增加。

但是，共振不会引起振动，而是增强振动幅值。正因为如此，检查共振的方法，一般通过减小或消除受迫振动源，有时也可以通过改变受迫振动源或自振源的频率，错开共振区。

4　结语

随着国内水电工程不断建设，各种型式水轮发电机组相继投产，在机组安装、调试及运行的过程中出现了一些问题，也解决了一些技术难题。对于定子铁芯振动问题，越来越显得重要，机组经过多年运行后，定子铁芯叠片变薄，轴向刚度降低，产生的振动增加，严重时导致齿部损坏，其振动频率一般为机频，并伴有电磁噪音，严重影响机组的安全运行。

本文结合近几年水电站机电设备安装运行情况，总结定子振动测量、解决方法，为今后同类机组的设计、安装及运行提供借鉴。通过对发电机定子结构的研究与分析，总结大型水轮发电机组安装、运行经验，有利于水轮发电机组遇到相关技术问题时，能更好地进行全面分析，并解决相关技术难题。

吴建洪（1976-），男，高级工程师，本科，主要从事水电站机电设备安装运行管理工作。

TM303.3

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2095-2066（2016）13-0010-02

2016-4-10