水电站发电机运行异常噪声成因分析

林巧锋，韦正鹏，张 恒，刘 阳，陈春生

(1.福建华电福瑞能源发展有限公司福建分公司，福建 福州 350000；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310012；3.峡阳水力发电厂，福建 南平 353000)

水电站中发电机的主要作用是将机械能转换成电能，其性能的好坏直接影响着电站的生产效益[1-4]，因此越来越的工程技术人员与专家对发电机展开深入研究。李伟力[5]等人以SF320-48/12800型水轮发电机为例，采用数值模拟计算方法研究转子迎风面和背风面不均匀表面散热系数比对电机转子中部及端部温度场的影响，以及转子磁极表面的附加损耗对转子温度场的影响得到了转子温度场的分布规规律，张治忠[6]等人对某水电站发电机滑环原有碳粉吸收装置进行分析，得出该装置的缺陷并对其结构进行优化改进，使得装置在全封闭和大功率环境下吸尘率达到99%，有效解决粉尘回收问题，改善设备运行环境，降低了人员工作量。刘健[7]针对龙滩水电站发电机轴承甩油原因进行分析与论证，并提出相关解决措施与优化方案，在机组检修期间按照其措施与优化方案进行改造，后经过一段时间运行后机组甩油现象明显好转。姜美武[8]等人针对贺社水电站3台630 kW水轮发电机空载运行时产生的电磁噪声过大问题在对其电磁噪声数据进行实测的基础上就电磁噪声过大的原因进行了分析、研究与判定，并通过电磁计算，采用改变发电机定子槽数的办法彻底解决了定、转子槽的配合不当问题将定子固有频率与磁场的激振力频率相近引起共振造成的电磁噪声控制在标准范围之内。侯俊龙[9]等人通过对某水电站发电机定转子挡风板结构进行分析，得出机组运行过程中振动大、异响等缺陷的原因，并根据分析结论对发电机定转子挡风板进行结构优化，最终有效解决了机组运行过程中的缺陷。童鑫红[10]等人针对G水电站1号发电机较大的噪音和振动问题进行测试，测试表明噪音中心频率为630 Hz，机座径向振动的主要频率为100 Hz与600 Hz.本文对1号发电机异常振动及高频噪音问题进行成因分析计算并提出改造方案。王燕青[11]分析机组产生噪声的原因后，并提出了相关降低噪声的一些具体措施。徐晓生[12]等人分析中小型水电站水轮发电机噪声的类型及产生原因介绍针对这些噪声的不同降噪措施以及控制噪声传播的途径和方法，通过实测数据说明不同降噪措施有显著的效果。

本文针对峡阳水电站3号发电机运行过程中的异常噪声现象，采用现场测量与仿真计算相结合的方法进行分析，探索机组在运行过程中产生异常噪声的原因，并根据分析结果，为峡阳水电站3号发电机改造提出相关建议，通过现场测量数据与仿真计算结合方法可排除两者之间的误差，可为分析结果排除误差因子，保证分析结果的准确性，为后续电站改造提供可参考依据。

1 测量数据分析

峡阳水电站位于福建省南平市境内，为河床式水电站，是以发电、航运相结合的水资源综合利用枢纽工程[13]，电站装有3台贯流式水轮发电机组，其3号发电机的具体参数如表1所示。

表1 峡阳水电站3号发电机参数

1.1 定转子间隙测量分析

首先在机坑内逐个转动磁极，对定转子间隙做间接测量。在定子某个磁极上寻找一个参考点，逐个转动磁极，进而测量出转子圆度；在转子磁极上寻找一参考点，磁极转动一圈，间接得出定子圆度[14]。把机坑内得到的定转子圆度值按磁极号对应，找出最小气隙值。测量结果发现发电机定转子上下游侧间隙不相同，且数值相差较大，最终上游侧最小间隙为6.28 mm，平均气隙为9.68 mm，下游侧最小间隙为3.78 mm，平均气隙为7.85 mm。

通过定转子间隙计算得出机坑内定子圆度为3.24 mm，转子圆度为1.9 mm。根据测量数据进行数据拟合，得到3号发电机定转子上下游侧圆度图，如图1所示，从图1(a)中可以看出转子上下游圆度拟合曲线差异更为明显，其中上游侧变大，下游侧变小，从图1(b)中可以看出定子上下游圆度曲线趋势基本一致，且与平均圆度基本吻合，因此可以初步判断发电机转子运行轨迹存在较大变形。

图1 机坑内定转子圆度

1.2 安装间的数据测量分析

将定子铁芯吊出机坑，再次测量其圆度。发现在安装间定子平均圆度值是0.72 mm，与机坑内(3.24 mm)相比变化较大，且安装间定子圆度图与机坑内相比，不只是圆度更好，而且一系列的尖点(内凹和外凸)的差异也比机坑内更小。

针对这两种测量之间的差异，可能存在两种原因。一是气隙测量存在偏差，不足以反应定转子真实的几何形状；二是座环引起定子基座较大的变形。如果在机坑内定子发生了变形，则有必要使用液压千斤顶调整定子机座相对于转子的中心及圆度。

1.3 历史数据对比分析

考虑到间隙测量计算定子圆度与安装间定子圆度测量的差异，对历史测量数据进行分析。如图2所示，比较2017年和2019年定子测量数据，发现定子圆度恶化，圆度值从0.68 mm到3.57 mm，同时2020年与2019年数据分布趋势类似。

图2 定子圆度测量

查阅2020年3月车间转子支架测量数据并拟合数据曲线，同时将上下游侧数据进行叠合，如图3所示转子支架测量数据行程8节点模型图，由图可得出转子支架上、下圆度偏差较大，说明转子支架变形明显。

图3 上下游测量数据叠加效果

2 转子有限元分析

2.1 载荷分布与静应力分析

为进一步探究确定发电机在运行过程中产生异常噪声的原因，研究正常运行范围内的额定工况与极限工况下对转子的影响，利用三维建模软件构建了包含轴线、轴承和磁极在内的仿真度极高的的转子有限元模型[15]。表2为计算过程中不同工况下转子所受载荷。

表2 转子运行过程中所受载荷

如前所述施加载荷对转子进行静应力计算，其计算如图4所示。从图中可以看出，转子在额定工况下的最大径向位移为2.3 mm，最大综合应力为103.72 MPa；转子在极限工况下的最大位移为3.7 mm，最大综合应力为115.24 MPa。两种工况下最大位移位置与最大综合应力位置分别相同，最大位移位置发生在转子磁极下游侧，最大综合应力位置发生在转子支架，且在两种工况下转子都具有较好的刚度与强度。因此可以排除转子在运行过程中由于受力而导致变形，进而与定子发生摩擦产生异常噪声。

图4 静应力计算结果

2.2 模态分析

基于静应力计算结果的基础下，对转子在额定工况下进行模态分析，探究转子在额定工况运行状态下的结构特性。记录前8阶频率如表3所示，转子转速为85.7 rpm，其转动频率为1.43 Hz，与转子在额定工况下前8阶固有频率各不相同，且相差较大，因此可以排除转子与转动频率发生共振导致异常噪声。

表3 转子在额定工况下前8阶固有频率

根据模态计算结果对转子前8阶振型进行分析发现，转子第8阶振型与2020年3月测量数据分布图(如图3)基本一致，额定工况下转子第8阶振型与振动位移趋势如图5所示，因此可以判断峡阳电站3号发电机在运行过程中由于转子振动导致导致转子机坑内留下的转子圆度差，长时间的不规则振动引发转子与定子之间可能存在一定的摩擦，进而产生异常响动。

图5 转子8阶振型结果

3 结 语

通过对峡阳水电站3号发电机转子进行测量数据分析与有限元计算分析，得出如下结论，并根据分析结果提出如下建议。

1)对电站3号发电机测量数据分析发现转子上下游侧圆度差异较大，机组在运行过程中转子可能存在不规则振动，转子运行轨迹存在较大变形。

2)在数据分析的基础之上对3号发电机转子进行静应力分析得出转子在额定工况与极限工况下刚强度满足设计要求。根据模态分析得出转子振型与2020年3月转子圆度测量数据分布趋势图一致，因此判断发电机是由于转子不规则振动导致异常噪声。

3)由于目前发电机转子支架是采用非对称性结构设计，因此建议对转子支架结构进行优化，可尝试采用对称性结构，改变转子支架的固有频率与振型，降低转子振动的概率。