摘要：灯泡贯流式电站是开发低水头水力资源最有效的形式之一，研究灯泡贯流机组的噪声和异常振动，对确保整个机组安全稳定运行具有重大意义。本文针对某灯泡贯流式机组运行时噪音和异常振动的问题，通过对该机组现场试验测量、经典计算和有限元计算分析，确定了故障原因，并提出临时处理和永久技术改造方案，保证了机组今后的安全稳定运行。
关键词：灯泡贯流机，噪音，异常振动，计算；处理
引言
灯泡贯流式机组因其具备优良技术经济特性与适应性而被广泛的应用于水力资源的开发与有效利用中。但是，由于灯泡贯流式水轮机具有机组结构复杂、结构尺寸较大，机组部件刚度相对较弱和固有频率低等特点，更增加了机组运行发生局部共振的可能性和机率。水轮发电机组运行中的较大异常振动，轻则产生异常噪音，重则使水力机组降低机组结构受到破坏，危及机组安全运行，造成生产故事。所以，对灯泡贯流式水轮发电机组运行中的噪音和异常振动问题，进行专门的研究、分析、判定和处理，对解决和消除水力机组振动问题，确保机组的安全可靠运行和延长机组的正常使用寿命具有十分重要的意义。
1 灯泡贯流式水电机
灯泡贯流式水电机组由于开挖量小、造价低在低水头水力资源十分丰富的中国有着很好的发展前景。与其它类型水轮发电机组相比，该型机组的结构具有显著的特点:由灯泡头、中间环、定子机座组成的灯泡体与水轮机管形座、内导环构成一个整体浸泡在流道中；在不同运行工况下，机组受重力、水推力、水浮力、电磁力矩和磁拉力等载荷的作用，使其整体受力复杂。同时由于大型灯泡贯流式机组结构尺寸大，机组整体结构的刚度弱，如果水轮发电机组存在电磁共振就会发生剧烈振动，振动会引起结构件变形和零部件出现松动，将影响水轮发电机组安全稳定运行，产生安全隐患。本文介绍某电站水轮发电机组出现的电磁共振现象后，现场处理以及最终处理方案。
2 某电站1号机电磁噪声及异常振动
某灯泡贯流式水轮发电机组。该机组尺寸较大，设计时为了预防热膨胀造成的定子铁芯翘曲，在定子机座鸽尾筋座与定子铁芯连接处预留单边1.4mm间隙；因此，刚开机运行时，定子铁芯温度进入上升阶段，预留的间隙还没被温差引起的热膨胀量抵消，机组处于定子铁芯冷态运行阶段；机组运行几小时后，定子铁芯随温度逐渐上升向外径向膨胀，最终定子铁芯接触到定子机座鸽尾筋座上并有0.2mm左右的过盈量，机组进入定子铁芯热态运行阶段。
该电站1号机组机于1996年2月投入运行，机组冷态运行阶段出现明显的噪声及异常振动，运行约4小时后，机组进入热态运行阶段，振动和噪音基本消失。然而机组投运一段时间后，冷态运行时长增加迅速，振动和噪音逐渐加大。
通过历史测量数据分析:得出噪声消失与定子铁芯的温度的趋势如下表1。
表1 历年噪声消失时的定子铁芯温度趋势表
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从表1可知运行18年，机组噪声消失温度升高了17度达到66℃。由于机组正常运行时，定子铁芯温度不超过58℃，自此机组异常振动成为常态，且趋势越发明显，严重危害机组的安全稳定运行。
3 噪声及异常振动产生原因测量和计算分析
在发电机竖井处对机组噪音进行测量，使用安装在定子机座内壁的加速度传感器，对机组不同工况下振动的频谱进行测量，测量结果见下图1和图2:
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在空载工况下，没有出现噪声和振动；从图2可知，随着机组负荷增加，测点频谱成份中出现了以100Hz为主，夹带50Hz、200Hz、250Hz等倍频的电磁力振动，且这部分振动占了总振动的大部分幅度。
根据交流电机绕组理论，对称三相负载电流通过分数槽绕组时，气隙合成磁势中不但含有主波和高次谐波分量，还含有一系列分数次谐波，其中部分极对数和主波邻近的反转次谐波磁势，与主波磁场联合作用，如果铁芯本身的固有频率也在其附近，引起定子共振；次谐波引起的铁芯振动特点是力波的瞬间值随时间而变化，两倍的交变角频率(即工频为50Hz)，力波频率为100Hz。
对该电站4台机组进一步测量可知:机组的振动主频率都是100Hz，且振动值随着负荷增加而增加。其中，1号机电源频率为50Hz，振动主频率为100Hz，最大全振幅145μm(34MW时的水平90°方向)，振幅值随负荷增加而增加。因此，可以确定机组噪声和振动是由电磁振动引起的。
机组电磁噪声和电磁振动随着定子铁芯温度的上升明显减小，其根本原因是随着温度上升定子铁芯径向热膨胀，定子铁芯和定子机座间隙减小，最终两者撑紧，定子铁芯刚度增加，两者撑紧后的频率通过下列公式(1)计算:
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式中:M为力波次数或振动模态的环向谐波数；RC为定子铁芯轭部平均半径；J为定子铁芯轭部尺寸计算的截面惯性矩；Gc为铁芯和线棒的总重；E为铁芯弹性模量；
该机组原设计次谐波计算:2p=64，Z=360可得:
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可知:d=8
电磁径向力波次数:
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因此，原设计电磁径向力波次数为8次，对应的铁芯的危险振型为8花瓣，16节点振型。
图3和公式(1)可知，经典计算冷态定子铁芯固有频率为81.1Hz，热态固有频率为126Hz:图4和图5可知，有限元计算冷态定子铁芯固有频率为86.7Hz，热态固有频率为121Hz；
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根据电磁激励源可以得出十六瓣为危险模态，危险频率为100Hz；安全频率应该避开80Hz～120Hz，因此机组原设计定子铁芯冷态运行时存在电磁共振现象，定子铁芯热态运行时仅勉强避开了电磁共振频率，存在共振风险；
4 现场处理方案和预防事故措施
2010年检修时发现1号机定子铁芯端片松动位移切割槽底线棒绝缘，发生安全隐患，见图6。
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图6 定子铁芯端片松动位移切割槽底线棒绝缘
1号发电机定子铁芯松动及振动已很严重。定子铁芯松动趋势明显，铁芯层间绝缘损坏、损耗增大发热，恶性循环，直至铁芯热熔、线棒绝缘击穿事故或铁芯振动疲劳断齿、脱落铁芯刮碰损坏绝缘事故等。因此，制订了防范电磁振动引起定子铁芯松动的现场临时处理方案。
(1)运行部控制机组运行方式措施:尽可能减少机组的开、停机次数；每次开机运行时，尽可能带最大负荷，缩短机组冷态运行到热态运行的过渡时间。
(2)安全生产措施:电厂各生产(发电部、检修维护部、设备部)部门加强监视监控措施、巡回检查；记录1号发电机电磁噪音明显降低时的铁芯温度值。设备专责每月分析电磁噪音明显降低时的铁芯温度值变化趋势。电气一次人员对1号机组在每次年度检修和每运行2个月停机检查、测量铁芯端部叠片位移一次，发现新变化及时汇报、设备部组织讨论研究对策。
(3)临时处理技术措施:
①1号机组A修时拆出定子更换定子铁芯拉紧螺栓及其碟簧并压紧(注:上次A修时已按日本专家要求重新拧紧铁芯拉紧螺栓，效果不明显)。
②定子铁芯齿部松动处(如铁芯端部叠片层间绝缘垫滑出处)，使用渗透力超强的环氧树脂(机组局部改造时采购的A、B胶)涂刷定子铁芯松动齿部。
③如果检查发现定子铁芯冲片松动位移切割线棒绝缘需要把定子吊出安装间进行更换损伤线棒。
5 机组技术改造
为了彻底消除安全隐患，保证机组安全稳定运行，需要整体更换改造发电机定子(更换发电机机座、铁芯、线棒)。根据机组问题分析，需进行如下技术改造:
(1)重新进行发电机电磁设计。使定子铁芯磁振动频率远离危害频率，降低线棒电流密度及热负荷。槽数从原设计的360槽变到336槽，电磁径向力波次数从8次变为16次。由于结构尺寸限制，定子铁芯固有频率变化很小，但技术改造后，电磁激振源的力波错开定子铁芯100Hz时的固有振型；在保证机组性能的前提下，从根源上消除了电磁共振的可能性。
(2)重新设计定子机座。提高定子机座刚性；
(3)采用双鸽尾筋结构，提高对铁芯的约束；同时，设计合理的定子铁芯外径与机座之间的间隙；间隙从原设计的1.4mm减为0.9mm，避免冷态振动过程时间过长。采用现在常规铁芯压紧结构设计，提升铁芯面压。
6 结论
综上所述，灯泡贯流式机组同一般水轮机组相比有着表现出较多的优势，但是其自身也存在着一定的缺陷，加之外在各种因素的影响致使机组在实际运行过程中时常会出现一些故障而影响到机组的正常运行。因此必须采取有效的措施对其进行解决，从而使得灯泡贯流式机组能够得到更好的运用与安全稳定的运行，为我国电力与经济建设做出更大的贡献。
参考文献
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论文作者:杨仁光
论文发表刊物:《基层建设》2016年32期
论文发表时间:2017/1/18
标签：定子论文; 机组论文; 铁芯论文; 灯泡论文; 电磁论文; 机座论文; 水轮论文; 《基层建设》2016年32期论文;