沿江泵站电机定子和转子轴向偏差的处理分析

陈 洋 王正飞 朱海清

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司,上海 200439;2.常熟市水利工程建设管理处,江苏 常熟 215500)

立式X流道双向泵站[1],配套立式电动机,直连传动,水泵单向旋转运行,由流道进出口闸门的启闭切换实现双向工况运行。

对中小型电机的安装,分两种情况:一是电机在生产厂家整体组装后运至安装现场[2],电机整体安装完成,电机轴和水泵轴联轴器连接为整体,再进行盘车;另一种是定、转子分别运至现场,定子定位后,垂直抽穿安装转子[3],电机轴和水泵轴法兰连接为整体。立式同步电机通常采用第二种方式安装。

目前对于电机方面的研究多集中在泵站建成后出现的电气设备故障上[4-6]。仇宝云等[7]提出过一种安装过程中在定子内直接测量调整转子不圆度的方法。总体上对电机安装方面的研究较少。本文针对某泵站安装中电机定、转子中心线不等高的情况,通过检查、测量和分析,提出了可行的整改方案及措施,成功地解决了问题。

1 问题的提出

1.1 工程特点

立式X流道双向泵站机组三维结构见图1。水泵的排涝、引水运行由流道上下两层的4扇闸门的启闭切换实现。泵站单泵流量10m3/s,泵组转速187.5r/min,配套立式同步电动机,32极,功率560kW,半管道通风冷却。电机顶部配有叶片全调节机构,电机轴、水泵轴为空心轴。

图1 泵站机组三维结构示意图

1.2 电机安装问题

为加快安装周期,3台机组同时进行安装。3套上机架已吊入机坑(见图2),由于3台机组基础土建施工存在毫米级的偏差,1号电机和2号电机的推力头已套装,安装3号电机时推力头套装困难,才发现3台电机均存在转子下轴身段高出约10mm的问题(见图3),导致上下油缸挡油板上端部接近推力头内部顶端,甚至出现卡阻现象,安装过程中在磁场中心满足安装规范的条件下无法进行盘车[8]。经安装单位和电机厂复测,确定为制造加工设计图纸误差,而在电机制造过程中,定子铁芯压装定位不完全相同,为此3台电机转子下轴身段最大高出约10mm。

图2 电机上下机架轴承安装

图3 电机转子

2 方案分析

2.1 方案一:调整电机基础满足安装要求

电机主轴在轴向方向相对位移约10mm,转子中心线高出定子磁场中心线约10mm,由于电机主轴轴身长度不变,因此将电机基础也就是定子安装高程整体下调约10mm,水泵基础和水泵叶轮中心安装高程均可不变,电机梁基础已定。此方案虽可进行机组安装,但须开凿降低电机基础梁上表面约10mm,实施复杂、周期长,泵站运行产生的振动会传递到泵支撑体系——厂房结构,引起厂房结构振动[9]。且电机定、转子轴向仍不同心,存在约10mm偏差。

2.2 方案二:调整水泵基础满足安装要求

由于电机主轴轴身长度不变,因此将水泵基础,包括扩散管、泵段整体结构、水泵叶轮中心安装高程均抬高约10mm,电机基础安装高程可不变。此方案虽可进行机组安装,但须拆卸已安装的水泵基础后,重新安装,实施更为复杂、周期长,且电机定、转子轴向仍不同心,存在约10mm偏差。水泵淹没深度减小与设计图纸不符。

2.3 方案三:调整电机自身满足安装要求

电机、水泵基础安装均与土建图纸相符,调整电机自身结构,以使定、转子磁场中心线重合,同时使各高程与设计图纸相符。结构上仅需处理上下油缸挡油板上端部与推力头内部顶端卡阻问题,但性能上要不影响挡油的有效高度。水电工程中出现过一些大型电机轴承室甩油溢油问题[10-12],应注意避免今后运行中出现甩油外溢。

2.4 利害分析

电机定、转子错位潜在危害如下:

a.电机运行时存在轴向磁拉力,可能会有定、转子定位误差累积效应。

b.错位导致电机有效铁芯长度不足,通常当转子铁芯窜出定子铁芯达一定长度时,电动机的三相空载电流将明显增大,带上负载后,电动机温度增加。同时会发出不均匀的嗡鸣声。

c.因定、转子铁芯错位,电机通电后定、转子会自动调整磁力中心线,机械力和电磁力形成作用力与反作用力,致使电机转子轴向位置周期性振荡,电机轴承支架一直受轴向力冲击,润滑脂流失加快轴承干磨烧损散架,导致电机抱轴烧毁[13]。

d.电机振动加剧,噪声加大。

基于以上分析,须使定、转子几何磁场中心线调整对齐。

据现场反馈,当前本项目3台电机均已就位(其中两台电机推力头已套装),为最大限度地减少返工量(电机定、转子均不返工,定子二次灌浆基础面也无需调整),且现场具备切割挡油板的条件,最终确定方案三,即调整电机自身结构,切割挡油板方案。基于现场实际情况,通过调整抗重螺栓,确保定、转子磁中心重合。根据立式轴泵机组安装规范要求,转子磁场中心要低于定子磁场中心。为了满足这一要求,安装过程中必须向下调节推力瓦高度,抗重螺栓与地板螺孔有效连接丝牙减少[14]。调整完毕后,每个抗重螺栓与承重板之间的有效螺纹配合量为31mm,该配合量足以保证抗重螺栓有效承担机组运行时的最大轴向推力。经专家论证,该项目电机的机架适用于磁极极数为12～40P的立式电机,对应转速为500～150r/min,而本项目电机转速为187.5r/min,与适用于12～24P极数的立式电机机架开发时的边界条件500r/min相比,防甩油有安全裕度空间,因此,建议可轴向减少7mm挡油板高度。

3 问题最终处理

3.1 实施方案

具体整改方案如下:

a.拆卸已经套装的两个推力头,将3套上机架吊出机坑(定位销、把合螺栓合理拆卸和保管),对上机架挡油板轴向打磨掉7mm,打磨前,对油槽进行有效防护,避免铁屑掉入油槽,带来二次清理的问题;打磨过程中,应避免挡油板变形;打磨完毕,清理干净后,按此前定位标记,将上机架吊入机坑复位。电机上导轴承结构见图4(a)。

图4 电机上下导轴承结构

b.参照上机架打磨方案,对机坑内的下机架挡油板轴向进行打磨,打磨量同样为7mm。电机下导轴承结构见图4(b)。

c.打磨减小了挡油板高度,利用挡油板与推力头的空间余量,可提升转子磁极中心挂装高程,使定、转子几何中心线完全重合,满足转子磁极高度允许偏差为±1.5mm,转子磁极中心挂装高程允许偏差为±1.0mm要求,使产品恢复为满足工程设计图纸安装高程要求的轴伸尺寸,达到电机定、转子磁中心重合的规范要求。

3.2 整改方案实施效果

整改方案成功解决了水泵电机的安装问题,符合电机定、转子磁中心重合的规范要求。经试运行检验,未发生甩油溢油现象。试运行期间电动机电流、电压、功率、定子线圈温度及电动机振动、噪声等技术参数测试均满足设计、规范要求。ⓐ环境温度33℃,电动机定子线圈温度最高为3号机组的59℃(报警温度125℃) ,推力瓦温度最高为2号、3号机组的33℃(报警温度55℃),上导轴承温度最高为2号机组的40℃(报警温度75℃),下导轴承温度最高为2号机组的42℃(报警温度75℃);ⓑ3台机组水平振动最大为 0.005mm,垂直振动0.017mm(规范限值0.03mm),振动较小;ⓒ电机噪声在79.2dB以下,水泵层噪声在89.4dB以下(电机风道风机开启时)。

4 结 语

本文介绍了某立式X流道双向泵站配套电机安装过程中推力头卡阻问题的处理方法、过程和结果,对类似工程机组安装及同步电机生产设计均有借鉴和指导意义。大中型立式同步电机上下轴承更适合采用滑动轴承,定、转子现场安装过程是对设备的再一次尺寸核验;电机虽然出厂测试性能达标,但在电机制造过程中,定子铁芯压装定位或转子铁芯转轴定位台阶尺寸错误、误差叠加,均会导致整机装配后定子与转子错位,制造厂需注意并满足定子与转子、推力头、挡油板等关键部件尺寸配合准确;在结构允许的情况下,挡油板高应设置得尽可能地高,有效避免甩油溢油现象。