羊湖电站高转速悬式水轮发电机组振动解决方案分析

王 昆

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)



羊湖电站高转速悬式水轮发电机组振动解决方案分析

王 昆

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

着重分析了羊湖电站22.5 MW常规三喷嘴水斗式水轮发电机组由于自身高转速悬式机组的特点导致机组运行振动的原因，提出了使用带双反式阻尼防振结构的复合式重载荷隔音防振圆形上盖板结构来有效解决振动问题的方案，并详细介绍了该方案的设计原理、部件构成、计算分析和应用效果，为今后解决高转速悬式机组振动问题提供了指导性的思路和重要的成功实践经验。

高转速悬式水轮发电机组；双反式阻尼防振结构；防振盖板

0 引言

羊湖电站坐落在羊湖流域，电站除装有4台22.5 MW三机式抽水蓄能机组外，还装有一台22.5 MW常规三喷嘴水斗式水轮发电机组。此台常规机组额定容量为25 MVA，额定转速750 r/min,飞逸转速1 290 r/min，是哈尔滨电机厂有限责任公司自主设计制造的高转速悬式水轮发电机组。高转速悬式水轮发电机组由于机组自身转速高造成发电机轴的径向摆度大，且由于推力轴承在整个机组上导位置，不容易使用常规的防振措施，导致该类型机组常常振动较大，在厂房内发电机上盖板处有明显振感。针对羊湖电站机组参数特性，进行优化设计，从而使得基础最大化的分担机组振动效应，减少发电机振动和振感，提高机组运行静谧性和稳定性。

1 复合式重载荷隔音防振圆形上盖板设计

复合式重载荷隔音防振圆形上盖板是针对羊湖发电机组减振要求研发出的隔音防振上盖板结构。盖板根据机组上机架支臂数设计成6瓣，圆周敷设在机组上机架上端见图1。上盖板在内侧与上导轴承油槽通过双反式阻尼防振系统连接成整体，外侧与机坑基础通过双反式阻尼防振系统连接成整体见图2。侧面通过焊接、把合结构与上机架支臂形成整体。盖板本体由40 mm厚Q235钢板、50 mm隔音板、Q235钢板材质隔音板框架、双反式阻尼防振结构组合而成。50 mm厚隔音板通过Q235钢板材质隔音板框架与40 mm厚Q235钢板组成盖板主体，双反式阻尼防振系统按照机组径向方向分布在盖板内侧切圆与外侧切圆上。

图1 复合式重载荷隔音防振圆形上盖板俯视图

2 双反式阻尼防振系统设计

双反式阻尼防振系统是一种自调节式圆周全角度平衡受力弹性支撑结构，基于复合式重载荷隔音防振圆形上盖板本体衍生设计。外侧均匀敷设在上盖板本体与外围机坑混凝土基础之间，内侧均匀敷设在上盖板与上机架中心体、油槽壁之间，通过调整每一个双反式阻尼防振系统，使得每一瓣上盖板同时与上机架和发电机组机坑基础最大化的组成整体，将机组由于各种原因产生的振动均匀且连续的沿圆周径向辐射式传递到机坑基础上，从而达到提高上机架、上导推力轴承与机坑基础的整体性，降低振感，提高机组运行静谧性和稳定性的要求。

图2 复合式重载荷隔音防振圆形上盖板侧视图

以与外围机坑混凝土基础之间连接的双反式阻尼防振系统的结构为例，其总体结构如图3所示：由复合式重载荷隔音防振圆形上盖板本体、调整螺栓、锁定螺母、接触螺栓、基础埋入环、Y型支撑组成。

1. 盖板本体； 2. 螺栓； 3. 锁定螺母； 4. 接触螺栓； 5. 基础埋入环； 6. 丫型支撑图3 外侧双反式阻尼防振系统

先将基础埋入环、Y型支撑焊接成整体后埋入基础中，安装上盖板本体，使用调整螺栓与基础埋入环相把合，此处可实现上盖板的高度锁定，使得上盖板本体轴向固定在基础埋入环上方，提高整体稳定性。将锁定螺母、接触螺栓把合后，接触螺栓拧入上盖板本体的螺孔中，通过调整与基础埋入环的接触距离及受力，使圆周均布的各个点上的接触螺栓均与基础埋入环完全接触，调整好后使用锁定螺母3反锁住接触螺栓，达到完全锁定状态。此时由于上盖板本体径向均匀支撑在基础埋入环上，使得上盖板与基础均匀受力且形成受力整体，当机组运行振动时，振动传递到上盖板后，会均匀的传递到机坑混凝土基础中，使得基础可以极大的分担和吸收机组振动，达到减震效果。内侧均匀敷设在上盖板与上机架中心体、油槽壁之间的双反式阻尼防振系统的结构与外围机坑混凝土基础之间连接的双反式阻尼防振系统的结构相同，区别是不设置Y型支撑。其作用是将上盖板本体与上机架形成整体，将发电机运行旋转的振动由发电机轴——发电机上导推力——发电机上机架均匀且连续的通过带双反式阻尼防振结构的复合式重载荷隔音防振圆形上盖板传递到外侧机坑基础，从而 达到降低振感、提高机组运行稳定性与静谧性的目的。

3 本设计结构的计算分析

为保证羊湖电站减振优化设计结构的合理性和可行性，提高安全裕度和理论支撑依据，我们对该结构进行了大量的有限元分析计算，羊湖电站水轮发电机总装如图4所示。

图4 羊湖水轮发电机总装图(图中：A为上导座圈；B为上导支撑盖与上机架螺栓连接处；C为挡油壁。)

对原结构、新结构的上机架、上导推力轴承与机坑基础的受力进行分析，使用了本文描述的解决方案后机组上机架、上导推力轴承与机坑基础的刚度明显增大，如图5所示。

图5-1(a) 原结构A位置径向变形分布图

图5-1(b) 新结构A位置径向变形分布图

图5-2(a) 原结构B位置径向变形分布图

图5-2(b) 新结构B位置径向变形分布

图5-3(a) 原结构C位置径向变形分布图

图5-3(b) 新结构C位置径向变形分布图

对原结构、新结构的固有频率进行对比分析。旋转机械运行过程中，受激振力作用，机械会产生振动，一旦机械的固有频率与外部激振力的频率一致，就会发生共振现象，从而引起机械的过大变形。机械的固有频率避开外部激振力频率的范围越大，那么机械的振动越小。羊湖水轮发电机上机架和定子联合水平晃动固有频率表达式：

式中：k为上机架和定子联合的刚度;m为上机架的质量;m2为机组转动部分的质量。

上机架的固有频率与机架的刚度的平方根成正比，提高上机架刚度对增加机组固有频率值有直接影响。经过测量分析得出，该机组运行激振力频率的计算值为12.5 Hz，原始结构的上机架和定子联合水平晃动固有频率为17.298 Hz，新结构的上机架和定子联合水平晃动固有频率为27.76 Hz。使用新结构后水平晃动固有频率较原始结构提高了10.462 Hz，避开激频的范围明显增大，上机架的振动会明显减小如图6所示。

图6a 原结构水平晃动模型

图6b 新结构水平晃动模型

4 结语

高转速悬式水轮发电机组由于自身结构设计原因，推力位于上导处，整个机组“头大脚小”，且转速高，轴摆度大等等特性造成机组较伞式机组振动大，在上盖板处振感强烈。而传统上盖板起到的作用只是遮盖机坑和供人员走动，刚度有限。为了在检修的时候方便空气冷却器、转子磁极等部件吊出，上盖板往往和上机架只是简单的把合状态，虽然大型上盖板有隔音装置，但是对于羊湖电站机组的整体振动情况来说，传统有隔音板的上盖板不能达到整体结构要求，且减振效果十分有限。

双反式阻尼防振结构的复合式重载荷隔音防振圆形上盖板可以优化机组上机架、上导推力轴承与机坑基础的整体性，并增加上盖板的隔音防振功能，辅助提高上导刚强度，从而使得基础最大化的分担机组振动效应，减少发电机振动和振感，提高机组运行静谧性和稳定性。此种结构也为今后解决高转速悬式机组振动问题提供了指导性的思路和重要的成功实践经验。

王昆，1985年生，男，2008年毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业，长期从事水轮发电机的设计工作，工程师。