风力发电机转子高速动平衡工艺

蔡卫国

(中车永济电机有限公司，陕西西安710018)



风力发电机转子高速动平衡工艺

蔡卫国

(中车永济电机有限公司，陕西西安710018)

以转子动平衡理论为基础，根据生产现场平衡为案例，阐述了高速动平衡工艺方法，对高速动平衡中出现的不同情况进行了总结分析，为今后动平衡工作提供指导。

动平衡；柔性；振动；高速

0 引言

双馈发电机组的转子振动过大会直接影响机组的安全与可靠运行。引起转子振动过大的因素很多，如转子的不平衡、轴承质量不稳定、壳体的刚性差等。其中转子不平衡是引起振动的主要原因之一。转子不平衡对电机的影响有以下三方面：(1)使电机振动值超标，引起噪声或者使电机性能下降；(2)诱发其他激振因素；(3)大幅度降低电机的使用寿命，因此要对转子不平衡进行校正，而动平衡是消除不平衡振动的主要手段。

1 动平衡工艺方法

在动平衡工艺过程中，发电机转子通常被认为是刚性的，因此只需要低速下做动平衡即可满足要求。但也有在平衡后电机振动仍然超出允许的振动值。当排除其他的振动原因后，在提高平衡精度的前提下，并未能解决问题，振动依然很大，可以判定该电机转子在工作转速下属于挠性转子，必须进行高速动平衡才能真正解决振动问题。

挠性转子之所以发生挠性变形，是由于转子在工作转速下发生塑性或弹性变形所致。塑性变形时由于电机转轴在高速运行时发生了位移或变形所致，比如电机转子铁心内应力释放产生的变形或位移；而弹性变形则由于电机转轴及转子结构细长，在额定转速下整体发生了弹性变形。转子的挠性变形一般有三阶振型，如图1所示。

1.1 刚性转子与挠性转子

1.1.1 刚性转子动平衡前后残余不平衡量不随转速的升高而发生变化。所以使用低速动平衡可以达到平衡的效果。

1.1.2 挠性转子的不平衡量随着转速的升高而增加，挠性转子存在不平衡时，主要存在以下特性。

(1)振动与转速的关系。

挠性转子的振动可以用下式来表示

(1)

式中，A1、A2、A3—分别为一、二、三阶的不平衡量；ω1、ω2、ω3—分别为转子的一、二、三阶临界转速；ω—转速。由式⑴可以得出振幅与转速的关系图，如图2所示。

图中曲线1是假设转子只存在一阶不平衡是关系图；图中曲线2是假设转子只存在二阶不平衡是关系图；图中曲线3是假设转子只存在三阶不平衡是关系图。但是实际转子一般不可能只存在单一的一种形式的不平衡，往往同时存在一、二、三阶不平衡，所以振幅与转速的实际关系将如图中曲线4所示。

(2)振动的波形为正弦波。

(3)当工作转速一定时，振动的幅值、相位较稳定。

2 不平衡过程、分析

2.1 设备

HD60VS硬支撑卧式动平衡机;转子：1.5MW双馈风力发电机转子。

2.2 平衡过程

支撑位置选择轴承位置；首台转子在600rpm，初始不平衡量300g，当转速达到1900rpm时，初始不平衡量达到2374g；不平衡量随着转速的升高增幅很大，因此判断该转子为挠性转子。

由于转子在1900rpm下平衡量显示量过大，在该转速下直接进行动平衡对轴承表面以及设备有一定破坏，参考相关资料，初步确定平衡方法采用多步骤：(1)600rpm下进行平衡，残余量小于10g；(2)1200rpm下进行平衡，残余量小于10g；(3)最后在1900rpm下进行平衡，残余量小于5g。

在平衡前对转子进行超速试验发现，如图3所示(振幅-转速图)，平衡机及转子组成的平衡系统在1600～2100rpm时为振动波动区域(有挠性变形)，而平衡转速正好在这一区域内，电机的额定转速为1900rpm，正好在这一区域。

小批量转子做完平衡后，电机试验过程中发现，大部分电机振动超标，不合格比例达76%；转子动平衡是引起振动超标的主要因素之一，在排除其他直观的因素后，对转子重新校验动平衡，转速选择避开平衡系统波动较大的区域，且根据现场在不同平衡转速下试验情况，确定平衡转速为1500rpm，对转子进行重新动平衡校正，后续的电机试验过程中发现，电机振动仍然超标，因此该方法没有解决电机振动超标的根本原因。

转子结构见图4，对转子结构进行分析，转子在滑环端轴伸较长，且直径φ70尺寸较小，而在前期动平衡过程中，为了不损伤电机轴伸端外圆，平衡时选用非传动端(滑环端)转轴与平衡机万向节连接，连接部位转轴刚性差是引起平衡质量不稳定的因素之一，且电机在振动试验中，振动超标基本都在滑环端；因此调整平衡工艺，新制作动平衡工装，使平衡机与传动端轴伸连接，注意平衡过程中保护传动端轴伸面。

按照多转子平衡方法，对动平衡工艺改进如下：(1)转子与平衡机万向节连接部位进行调整；(2)平衡转速选择与电机额定转速相同；(3)平衡工艺：①600rpm下进行动平衡，残余量小于10g；②1900rpm下进行动平衡，不平衡残余量小于5g；转子装配动平衡工艺进行改进后，电机在后续的振动试验中，振动值全部符合要求。

2.3 数据分析：转子1900rpm转速下动平衡满足要求后，取18台转子记录在600rpm下不平衡量及相位，建立图表见图5、图6。

其中系列1为1900rpm时转子残余不平衡量，系列2为600rpm时转子不平衡量数据，系列3为600rpm时转子不平衡量平均值。根据图表可知，系列2数据均大于系列1数据，也就是说，挠性转子进行准高速平衡后，转子低速转动振动值比在工作转速下转动振动值大，随着转速的升高，振动值会逐渐降下来。

刚性转子平衡的目的是消除转子上的不平衡力和不平衡力偶，而柔性转子平衡的目的是消除不平衡力、不平衡力偶和出现的n阶振型不平衡量；柔性转子在高速动平衡后，转子低速转动时增加了n阶振型不平衡量，因此残余不平衡量会增加。

3 结语

1.5MW双馈风力发电机转子高速动平衡工艺的应用，在风力发电机制造领域是一项技术提升。柔性转子动平衡时选择转轴刚性较好的一端与万向节连接可得到更准确的数据。柔性转子动平衡采用多转速的平衡方法，可有效避免高转速下设备和产品的损伤。

柔性转子动平衡后，低速运行时振动值比在工作转速下运行时振动值大，随着转速的升高，振动值会逐渐降下来。

[1] 杨国安.转子动平衡使用技术.北京：中国石化出版社，2012.

[2] 牟发海.汽轮发电机组的现场高速动平衡.燃气轮机技术，2008.

[3] 刘洪文.浅谈高速动平衡在工艺上的选择.防爆电机，2007.

[4] 施维新.汽轮发电机组振动机事故.北京：中国电力出版社，1998.

[5] 邓旺群.转子动力特性及动平衡研究综述.燃气涡轮试验与研究，2008.

High Speed Dynamic Balance Technology for Rotor of Wind Power Generator

CaiWeiguo

(CRRC Yongji Electric Motor Co., Ltd., Xi′an 710018, China)

Taking balance in the production site as an example, the technical method of high-speed dynamic balance is stated based on dynamic balance theory of the rotor, and different conditions appeared in high speed dynamic balance is summarized and analyzed. It can provide guidance for later dynamic balance work.

Dynamic balance；flexibility；vibration；high speed

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.18

TM305.3

B

1008-7281(2016)05-0058-003

蔡卫国 男 1984年生；毕业于西安理工大学，现从事电机设计工作.

2016-06-30