周 波，王 伟，刘 洁
(1． 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；
2． 中国三峡建工(集团)有限公司，成都 610041)
白鹤滩电站发电机是世界上首个单机容量突破1 000 MW的水轮发电机组，哈电承担了右岸8台机组的设计与制造。白鹤滩发电机不仅设计、制造难度大，而且为创建精品工程，对机组的运行性能也提出了更高的要求。
根据GB/T 7894—2009《水轮发电机基本技术条件》，定子铁心部位机座水平振动的双振幅值为0.02～0.04 mm。2010年之前多数电站实测数据也基本都在标准要求的范围内。巨型水轮发电机定子机座多采用斜元件结构(柔性定子机座)。随着国内巨型水轮发电机组电站数量的增加，在实际测量中发现，在导轴承振动、摆度满足标准要求的情况下，多台机组存在定子机座水平振动明显超出标准要求范围的情况。振动频率为机组的转频或转频的倍数，属于低频振动。
根据电站在线监测数据，定子低频振动主要特征是振动频率为机组的转频或转频的整数倍，振动幅值最大达到0.2 mm以上。根据运行经验，引发水轮发电机定子机座低频振动的主要原因有水力、机械和电磁三种。其中水力、机械引起的振动特征与电站实测的振动情况明显不符，基本可以排除。电磁振动分为两种，一种是极频振动，一种是转频振动。极频振动属于高频振动并伴有较高的电磁噪声，该特征与电站实测的振动情况也明显不符，定子低频振动偏大决非此原因。转频振动是由定、转子不圆或转子偏心产生电磁不平衡力引起的电磁振动，其振动频率为机组转频和转频的倍数，且偏心磁拉力会引起定子水平振动，该特征与电站实测数据非常吻合。
经过仔细研究及数据核对，最终确认定、转子气隙不均匀所产生的电磁不平衡力是引起定子低频振动的主要振源。
哈电对已运行的巨型水轮发电机定子机座低频振动实测值进行了统计(具体数据见表1)。通过统计数据看出，采用了柔性结构的定子机座均不同程度存在定子低频振动偏大的现象，说明在外载荷一定的情况下，定子机座采用柔性设计，会导致定子低频振动幅值加大。统计数据还显示出，同样的定子机座结构，同一电站定子低频振动幅值也相差较大，说明发电机安装质量对定子低频振动会有较大的影响。
表1 典型巨型水轮发电机定子机座振动实测值统计
柔性定子机座虽然存在无法削弱定子低频振动幅值的缺点，但也具有能有效防止定子铁心翘曲和变形的显著优点。通过有限元方法对柔性定子机座进行疲劳计算，结果显示：定子机座低频振动对机组的寿命和运行稳定性基本没有影响。因此，柔性机座仍是巨型发电机常用结构。降低定子低频振动的措施需要从减小定、转子气隙不均匀度方面来考虑。
虽然定子低频振动对机组的影响微乎其微，但白鹤滩作为世界上首个单机容量1 000 MW的水轮发电机组，对机组的运行性能提出了更高的要求。白鹤滩机组精品标准中明确要求定子低频振动幅值要低于0.08 mm。为满足此项要求，需要提前做好结构设计优化，尽量降低发电机运行时定子低频振动的幅值。
降低定子低频振动的幅值，主要需要提高定、转子安装精度，尽量减少定、转子不圆度。这虽然与安装的质量关系较大，但设计结构的改进同样能提高定、转子的安装精度，降低安装难度。
2．1 提高定子铁心圆度的措施
根据白鹤滩发电机精品安装质量标准要求，定子内圆半径与设计半径偏差为±0.7 mm，同时要求定子铁心圆度不大于0.6 mm。此项要求极为严格，要想达到精品要求，必须从结构设计、工艺制造、现场安装几个方面共同努力。
为了确保定子冲片叠片质量，在结构设计时，定子冲片相关尺寸增加了公差要求，冲片内径公差为±0.3 mm，鸽尾槽距公差为±0.04 mm，鸽尾槽、槽形尺寸公差为0～0.08 mm，较以往制造规范的公差要求有所提升。同时，对鸽尾筋的制造形位公差也提高了要求，扭斜由原来的0.3 mm/m提高到0.05 mm/m；
直线度和平面度均由原来的0.1 mm/m提高到0.05 mm/m；
同时增加了全长扭斜、直线度和平面度的要求。
目前白鹤滩机组已完成全部定子铁心叠装，其中首台机定子铁心圆度实测0.58 mm，满足精品标准要求的0.6 mm，其他机组的定子铁心尺寸及圆度也均满足精品安装要求。
2．2 提高转子圆度的措施
为了保证转子安装圆度，对转子支架、磁轭、磁轭与磁极的连接结构在设计时均做了优化。
转子支架的主立筋采用工地现场加工，尽可能的保证了转子支架与磁轭连接键槽的径向尺寸精度，从而确保磁轭叠片的质量及热打键紧量。
白鹤滩机组磁轭高度3 700 mm，正常情况下这么高的磁轭很难保证安装的垂直度。在设计时，采用了两段磁轭结构，从而有效减小了磁轭沿轴向高度方向径向尺寸的偏差。
改进传统巨型机组磁极与磁轭连接的鸽尾结构，采用大T尾结构，磁极键为通长、向后打键结构。在保证静态安装圆度的情况下，也能极大减小运行时磁极的径向变形，同时在磁轭与磁极之间增加了调整垫片，可以更好地保证转子的安装圆度。
目前白鹤滩电站已完成全部机组转子安装，所有机组转子圆度均优于精品标准的要求，其中首台机转子圆度实测0.37 mm，远优于精品标准要求的0.7 mm，表明哈电的设计措施对提高安装质量效果明显。
白鹤滩电站安装了在线监测元件，可以在线查看机组运行时各主要部件的振动、摆度以及转子上部周向不同位置上的气隙值和转子圆度，见图1和图2。
图1 机组运行时主要部件的振动和摆度
图2 机组运行时气隙值和转子圆度
截止2022年1月，白鹤滩右岸已有3台机组并网运行，1台机组涉网运行，2台机组进入运行调试。
调试期间监测数据显示，在未加励磁时，定子低频振动幅值基本在10 μm左右，转子动平衡的配重对定子低频振动幅值影响也非常小。而在加励磁电流之后，随着励磁电流的升高，定子低频振动幅值有明显增加，充分验证了定子低频振动主要就是由定、转子偏心电磁拉力引起的。
上述6台机组调试期间，在首次加入空载励磁电流后，各机组转子圆度(不同磁极下最大、最小气隙差值)、定子机座水平振动幅值的监测数据见表2。
表2 各机组定子机座水平振动值
表2数据显示：14#机、15#机、16#机和11#机的定子低频振动幅值均小于0.08 mm，其中15#机和16#机更为理想，振动幅值均在0.03 mm以内。但13#机低频振动幅值已非常接近0.08 mm，12#机低频振动幅值更是超过了0.1 mm。
数据还显示：12#机处理前运行时动态气隙的最大最小值差值为0.79 mm，13#机处理前运行时动态气隙的最大最小值差值为0.66 mm，而16#机运行时动态气隙的最大最小值差值只有0.3 mm。同时还发现，12#机和13#机均存在多个连续磁极处气隙尺寸均偏小现象(12#机的7-21号磁极，13#机的26-34号磁极)。经过分析，确定13#机和12#机定子低频振动幅值偏大是由于转子不圆所造成，需要拔出部分磁极重新安装来调整转子的圆度。根据在线监测数据，重新调整磁极与磁轭之间的垫片尺寸，将气隙偏小的磁极位置的垫片尺寸减小0.5 mm。最终，13#机处理了9个磁极，12#机处理了11个磁极，在重新调整了转子整体圆度后，13#机处理后运行时动态气隙的最大最小值差值为0.5 mm，12#机处理后运行时动态气隙的最大最小值差值为0.61 mm。13#、12#机的定子低频振动幅值均降至0.05 mm以内。
通过白鹤滩右岸前6台机的运行、调试及相关的处理措施，已经可以确定，引起定子低频振动的主要原因是定、转子气隙不均匀度造成的，特别是转子的不圆度影响更大。斜元件定子机座对于转子动态不圆度反应比较敏感，在定、转子安装尺寸均满足精品要求情况下，仍有可能出现定子低频振动幅值超标的现象。转子安装过程中，在保证转子圆度的情况下，还要避免出现相邻多个磁极径向尺寸同时偏大的情况。
白鹤滩右岸机组的安装，验证了哈电设计优化措施的有效性，为安装成精品机组创造了有利条件，机组运行时的定子低频振动幅值基本控制在0.05 mm以内。同时也为后续机组的安装提供了宝贵的经验。
目前，白鹤滩右岸已正式投运的3台机组中，15#、16#机组运行的数据及性能都非常好，特别是16#机，不仅定子低频振动控制在0.03 mm以内，同时发电机上导、下导摆度也基本控制在0.05 mm左右，创造了精品机组中精品。
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