发电机定子铁芯穿心螺杆振动分析及对策

2017-07-18向春德

中国设备工程 2017年13期

关键词：铁芯螺杆固有频率

向春德

（东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000)）

发电机定子铁芯穿心螺杆振动分析及对策

向春德

（东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000)）

发电机定子铁芯采用穿心螺杆的固定方式，有利于铁芯的压紧，但是穿心螺杆孔位于铁芯轭部，螺杆要穿入铁芯，螺杆和孔之间必须留有一定间隙，螺杆的实际固定点只有上下两点，如设计不当，运行时容易在铁芯激振频率作用下产生振动甚至共振，危害很大。本文分析了穿心螺杆发生振动的原因，并提出了对策。

定子铁芯；穿心螺杆；激振频率；共振；对策

发电机定子铁芯如果没有可靠压紧，在电磁转矩和定转子间的径向交变磁场的作用下，会造成叠片损坏并磨损破坏线棒绝缘，最终造成发电机事故。所以铁芯装压质量的优劣，直接影响到发电机的安全运行。

定子铁芯采用穿心螺杆的固定方式，有利于铁芯的压紧，但是穿心螺杆孔位于铁芯轭部，螺杆要穿入铁芯，螺杆和孔之间必须留有一定间隙。通常是在螺杆外加绝缘套管后与铁芯间单边还有1mm左右间隙，穿心螺杆只有上下两端固定，在铁芯长度方向上没有支撑，处于悬空状态，如果铁芯较长，穿心螺杆固有频率又设计不当，在铁芯电磁激励频率下，会在长度方向产生振动撞击铁芯发出响声，进而损坏螺杆绝缘，甚至引起共振造成螺杆断裂，危害很大。

本文通过对A电站穿心螺杆断裂事故进行分析，计算了穿心螺杆固有频率，以及针对B电站厂内真机铁损试验时螺杆异响，进行了固有频率计算、振动试验数据分析，找到了故障发生的原因并提出了提高穿心螺杆固有频率的方法。

1 A电站定子穿心螺杆断裂事故

电站在定子吊出后，发现定子铁芯有断裂掉下的穿心螺杆部件，见图1。

图1 穿心螺杆事故照片

1.1 事故状态穿心螺杆固有频率计算

因事故发生时，机组已运行近4年，经核算螺杆受力，均在螺杆材料强度的安全范围内。所以从振动失效思路出发，对螺杆固有频率进行了计算（表1）。

表1 穿心螺杆固有频率 Hz

从穿心螺杆振动频率计算结果看出，螺杆在设计有拉紧力下的固有频率为138.21Hz，已经避开了螺杆激振力2倍频（100Hz），螺杆的振动不会造成危害。

但是穿心螺杆把紧力在机组长期运行后会因为铁芯振动和冲片漆膜收缩等原因使把紧力降低；从固有频率计算结果看出，当穿心螺杆把紧力低于设计要求时，其固有频率会下降，在把紧力为零时，已非常接近激振力2倍频（100Hz），会引起螺杆较大振动；所以该螺杆断裂现象是一个逐步恶化的过程，较大的振动会在个别螺杆的最小截面应力集中处出现疲劳断裂。

对事故机组铁芯拆卸时检查未断裂穿心螺杆的把紧力矩发现，平均拆卸力矩为170Nm，大部份螺杆把紧力已经小于设计力矩值220Nm，降低了20%以上。

1.2 穿心螺杆轴向增加固定点时的固有频率计算（表2）

表2 增加轴向固定点后穿心螺杆固有频率 Hz

从计算结果看出，增加5支点后螺杆固有频率大幅度提高，无论是在正常拉紧力作用下还是拉紧力失效情况下，穿心螺杆固有频率均远离了100Hz。

2 B电站铁损试验时穿心螺杆发生振动噪声

该机组额定频率为60Hz，铁损试验先按50Hz进行试验时发现穿心螺杆处有不同程度的噪声，为分析此现象，进行了螺杆固有频率计算、并测量了铁损试验时的铁芯振动频率。

2.1 穿心螺杆轴向无支点和5支点情况下固有频率计算（图2，图3，表3，表4）

图2 穿心螺杆轴向无支点示意图

图3 穿心螺杆轴向5支点示意图

表 3 轴向无支点固有频率计算结果 Hz

表4 轴向5支点固有频率计算结果 Hz

2.2 测量了定子铁芯铁损试验时的振动频谱

从铁芯铁损振动试验可知，50Hz铁损试验振动幅值主要以100Hz为主、60Hz铁损试验振动幅值主要以120Hz为主，240Hz、480 Hz振动幅值很小。

2.3 发电机额定工况下气隙激振力谐波计算

额定运行时，发电机气隙激振力谐波主要由定子磁场、转子磁场、气隙磁导谐波等相互作用。计算结果看出, 该机组额定运行时(额定频率为60Hz)，发电机激振力波为0节点、频率为360Hz和168节点、频率为120Hz。负载情况下，负序电流激振力波为0节点、频率120Hz。

3 结论

只有当外界激励力频率和铁芯穿心螺杆固有频率一致时才可能发生共振。穿心螺杆在无支点时存在240Hz左右的频率（见表3），穿心螺杆中间加5个支点后，避开了240Hz，但存在480Hz左右的固有频率（见表4）；通过电磁计算，机组额定运行时，发电机激力频率为360Hz，负载情况下负序电流激励力波频率为120Hz，不存在240Hz、480Hz的激励力，机组运行时穿心螺杆不会发生240Hz、480Hz频率共振。

从铁芯铁损振动试验可知，50Hz铁损试验振动幅值主要以100Hz为主、60Hz铁损试验振动幅值主要以120Hz为主，240Hz、480Hz振动幅值很小，而穿心螺杆在轴向无支点时存在90 Hz、240Hz左右的频率（见表3），这就是铁损试验穿心螺杆产生不同程度噪声的原因。在轴向增加5支点后，螺杆固有频率大幅度提高，完全避开了240Hz，而480Hz传给穿心螺杆的振动能量较小，所以穿心螺杆轴向增加5支点后，铁损试验时穿心螺杆不会因此发生较大的振动。

4 穿心螺杆振动问题的对策

如前所述，穿心螺杆轴向仅在两端固定时，螺杆固有频率较小且接近低阶电磁激振频率，为了避免因安装以及长期运行可能造成的把紧力下降引起固有频率降低，接近电磁激力频率而造成螺杆噪音甚至断裂的问题，需要在设计时尽量提高螺杆的固有频率，在不改变设计方案的情况下（比如增加螺杆直径和加大把紧力，当然这两种方式对于提高固有频率效果并不够好），采取措施增加穿心螺杆的轴向固定点。

穿心螺杆轴向和铁芯之间首先必须可靠绝缘，然后再在穿心螺杆绝缘外包扎有一定弹性的材料，填充螺杆和铁芯间的间隙，既增加了轴向支撑点，又能满足安装要求。这种结构已经在上述机组中实施，实施效果很好。