660MW级双水内冷发电机转子动力特性优化与验证

杨昔科，张 燕，贾子龙



660MW级双水内冷发电机转子动力特性优化与验证

杨昔科，张 燕，贾子龙

（上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240）

本文基于DyRoBeS软件从静态计算、轴承计算、临界转速计算、不平衡响应计算和扭振频率计算等方面对660MW级双水内冷发电机转子动力特性进行了分析，通过设计采用稳定轴承的转子结构，有效改善了初始设计转子结构的轴系动力特性，并从转子挠度、临界转速、振动响应等方面对改进设计转子结构的轴系动力特性进行了验证。

双水内冷发电机；轴系转子动力特性；DyRoBeS

0 前言

双水内冷发电机转子采用水冷方式，相比于氢冷发电机，其结构简单，制造周期短，安装维护方便，且由于彻底杜绝氢气，在安全性上有优势。双水内冷发电机由于其转子通水的特殊性，集电环转子与发电机转子需采用一体设计，且由于进水装置设计在集电环转子末端。为保证进水装置的密封性能，对集电环转子的振动提出了更高的要求[1]。

在进行660MW级双水内冷发电机的初始设计时，在轴系动力特性计算中发现，集电环转子的临界转速靠近3000r/min工作转速，集电环转子末端振动较大，这将对进水装置的密封性能产生影响。为改善集电环转子的临界转速和振动，考虑在集电环转轴末端增加一个稳定轴承支撑，以期降低集电环转子末端的振动。

对于轴系横向振动分析，连上汽轮机或燃机轴系后对发电机转子轴系的静态计算、轴承计算、临界转速计算和不平衡响应计算等影响有限，因此，发电机转子轴系的横振分析结果仍然具有工程意义；而对于轴系扭转振动分析，连上汽轮机或燃机轴系后对发电机转子轴系的扭振频率影响较大，因此对发电机转子轴系的扭振分析需考虑连接汽轮机或燃机轴系。

在660MW级双水内冷发电机的设计阶段，对660MW双水内冷发电机的关键部件，如转子引水拐脚、转子绝缘引水管的固定结构、水系统、定子槽内布置等进行了研究[2-5]。本文采用DyRoBeS转子动力学商业软件对660MW级双水内冷发电机初始设计转子结构和采用稳定轴承的改进设计转子结构进行了静态计算、轴承计算、临界转速计算、不平衡响应计算和扭振频率等方面的分析比较，并通过试验对改进设计转子结构的转子挠度、临界转速和振动响应进行了验证。

1 转子轴系模型

初始设计和改进设计发电机转子结构相同，差异在于集电环转子，改进设计转子在集电环末端比初始设计转子多了一个稳定轴承支撑。

对转子进行轴系建模，考虑每一轴段的长度、质量直径、刚度直径等参数，对于转子上的联轴器、风扇、护环、线圈、轴向引线等部件，考虑为附加质量，转子轴系模型如图1所示。

图1 改进设计的转子轴系模型

2 轴系动力特性计算

2.1 静态计算

通过静态计算可以得到转子轴系在重力作用下的静挠度、轴承载荷、弯应力等参数，进而可对转轴的高周疲劳、轴承标高、轴承参数等进一步求解。将初始设计和改进设计的转子轴系静态计算结果列出如表1及图2所示，可以看出，由于发电机转子结构相同，改进设计转子与初始设计转子的静挠度、轴承载荷、弯应力均相当，且弯应力满足高周疲劳限值要求。

通过求解3号稳定轴承标高及对应的轴承载荷，可指导发电机转子动平衡试验时的轴承抬高量设置。

表1 静态计算结果

2.2 轴承计算

轴承参数是轴系动力特性计算中的重要参数，对临界转速及振动响应影响显著。1号轴承和2号轴承为结构相同的椭圆瓦，3号轴承选用稳定性较好的可倾瓦，通过轴承计算得到的轴承刚度和阻尼参数见表2，其中为水平方向，为竖直方向，初始设计与改进设计的1号轴承和2号轴承由于载荷相当，采用相同轴承参数。

表2 3000r/min转速下的轴承参数计算结果

2.3 临界转速计算

分别考虑轴承水平支撑刚度和垂直支撑刚度下的无阻尼临界转速计算，计算结果见表3。可以看出，初始设计转子的集电环一阶水平临界转速为3135r/min，靠近工作转速，而改进设计转子的集电环一阶水平临界转速为3755r/min，远离工作转速。稳定轴承支撑对集电环临界转速影响显著。

表3 无阻尼临界转速计算结果（单位：r/min）

进一步对考虑支撑刚度和支撑阻尼的涡动频率（阻尼临界转速）进行计算，从Campbell图及涡动频率图中得到发电机转子轴系各阶阻尼临界转速，计算结果如表4及图3所示。从中可以看出，发电机转子轴系的各阶阻尼临界转速相比无阻尼临界转速稍有提高，但相差不大。

改进设计转子的阻尼临界转速避开工作转速3000r/min的±10%，满足设计要求。

需要说明的是，Campbell图中包含了发电机汽端外伸端的临界转速，这阶临界转速在发电机连上汽轮机、燃机后将不存在，因此一般不关注；另外Campbell图中也包含了发电机三阶临界转速，但因三阶发电机临界转速远高于发电机工作转速，在此也不做分析。

表4 阻尼临界转速计算结果（单位：r/min）

2.4 不平衡响应计算

由于初始设计转子集电环一阶水平临界转速靠近3000r/min工作转速，需进一步对其不平衡响应进行计算。不平衡量的计算参考《GB/T9239.1-2006 机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求》[6]规定的发电机平衡品质级别G2.5确定，计算发电机转子及集电环转子的各阶临界转速对应的不平衡量，并分别施加于各阶临界转速相对振幅最大的轴段位置，考核转子各轴承位置及集电环末端进水装置处的不平衡响应振动幅值，计算结果见表5。从中可以看出，工作转速下，初始设计转子在集电环末端的振动单峰值最大可达约0.2mm，而改进设计转子可将振动单峰值降至约0.01mm，说明改进设计转子由于增加了稳定轴承，临界转速避开工作转速较远，其振动响应要明显优于初始设计转子。初始设计转子与改进设计转子的轴承位置振动单峰值均满足小于0.05mm的设计要求。

需要说明的是，轴系计算中改进设计转子的不平衡响应计算考虑的是理想轴承标高（轴系对中）的情况。实际安装工况下，轴承标高的偏差可能影响轴系的振动情况。

表5 3000r/min转速下的不平衡响应计算结果（单位：mm，单峰值）

2.5 扭振频率计算

将改进设计发电机转子轴系模型连上汽轮机转子轴系模型，进行轴系扭振频率计算，得到轴系各阶扭振频率见表6。从中可以看出，轴系各阶扭振频率均避开电网频率50Hz的±10%及两倍电网频率100Hz的±5%，满足设计要求。

表6 轴系扭振频率计算结果

3 试验验证

3.1 转子静挠度测试

将装配完成后的改进设计转子放置于工装轴承上，采用激光跟踪仪对转子进行三维坐标测量，对转子本体轴段沿轴向均布11个测点，分别测试盘车前后，以及转子本体磁极中心线水平和垂直的四种工况，取得平均值绘制静挠度曲线，并绘制静挠度计算结果进行对比，如下图所示。从中可以看出，静挠度计算值与试验值较为一致，误差在10%以内，这也进一步证明了转子轴系模型具有一定的精度。

图4 改进设计转子的静挠度计算值与试验值对比

3.2 转子动平衡试验

对改进设计转子进行动平衡试验，以保证振动性能。由于3号稳定轴承的标高对振动影响较大，一般通过称重法，按照轴系计算得到的轴承载荷，对3号轴承的抬高量进行控制。通过动平衡试验的Bode图，可以得到转子的各阶临界转速，以及各轴承位置的转子振动幅值。

试验得到发电机一阶垂直临界转速和发电机二阶垂直临界转速分别为665r/min和1975r/min，阻尼临界转速计算值与试验值的误差在5%以内，间接验证了轴承参数具有较高的精度。

经过精平衡后，发电机三个轴承的振动单峰值都控制在0.025mm以内，且集电环末端振动单峰值在0.06mm左右，振动良好。

4 总结

本文基于DyRoBeS软件对660MW级双水内冷发电机改进设计转子和初始设计转子的轴系动力特性进行了对比分析，改进设计转子结构的振动响应优于初始设计转子，并通过静挠度测试和动平衡试验验证了改进设计转子轴系模型和轴承参数具有较高的精度，也验证了改进设计转子具有较好的轴系动力特性。

[1] 张燕, 王庭山, 吴新亚, 等. 660MW级双水内冷发电机关键机械问题的解决[J]. 电机技术, 2017(6): 6-10.

[2] 吴新亚, 张燕. 660MW级双水内冷发电机转子引水拐脚强度分析[J]. 电机技术, 2017(2): 1-5.

[3] 袁相鹏, 刘玮, 张立. 转子绝缘引水管的固定结构[J]. 电机技术, 2016(4): 64-68.

[4] 张静芝. 660 MW级双水内冷汽轮发电机水系统的研发和验证[J]. 能源研究与信息, 2017, 38(3): 155-158.

[5] 钟后鸿, 咸哲龙, 梁旭彪. 汽轮发电机定子槽内布置优化设计探索[J]. 电机技术, 2015(4): 7-11.

[6] GB/T9239.1-2006 机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求[S].

Rotor Dynamics Optimization and Validation on 660MW Class Double Water Cooled Generator

YANG Xike, ZHANG Yan, JIA Zilong

(Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

The static calculation, bearing calculation, critical speed calculation, unbalanced response calculation and torsional frequency calculation of 660MW class double water cooled generator rotor dynamics are analyzed based on DyRoBeS software. A stable bearing structure is designed to improve the rotor dynamic characteristics of the original design structure, and the rotor deflection, critical speed and vibration response of improved generator rotor structure are validated.

double water cooledgenerator; shaft rotor dynamics; DyRoBeS

TM301.4+1

A

1000-3983(2018)06-0053-04

2017-12-22

杨昔科（1985-），2008年毕业于天津大学工程力学专业，2015年取得上海交通大学机械与动力工程学院工程硕士学位，现任职于上海电气电站设备有限公司上海发电机厂，从事发电机机械试验及仿真工作。