蔡衛(wèi)國

(中車永濟電機有限公司，陜西西安710018)

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風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速動平衡工藝

蔡衛(wèi)國

(中車永濟電機有限公司，陜西西安710018)

以轉(zhuǎn)子動平衡理論為基礎(chǔ)，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場平衡為案例，闡述了高速動平衡工藝方法，對高速動平衡中出現(xiàn)的不同情況進行了總結(jié)分析，為今后動平衡工作提供指導。

動平衡；柔性；振動；高速

0 引言

雙饋發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子振動過大會直接影響機組的安全與可靠運行。引起轉(zhuǎn)子振動過大的因素很多，如轉(zhuǎn)子的不平衡、軸承質(zhì)量不穩(wěn)定、殼體的剛性差等。其中轉(zhuǎn)子不平衡是引起振動的主要原因之一。轉(zhuǎn)子不平衡對電機的影響有以下三方面：(1)使電機振動值超標，引起噪聲或者使電機性能下降；(2)誘發(fā)其他激振因素；(3)大幅度降低電機的使用壽命，因此要對轉(zhuǎn)子不平衡進行校正，而動平衡是消除不平衡振動的主要手段。

1 動平衡工藝方法

在動平衡工藝過程中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子通常被認為是剛性的，因此只需要低速下做動平衡即可滿足要求。但也有在平衡后電機振動仍然超出允許的振動值。當排除其他的振動原因后，在提高平衡精度的前提下，并未能解決問題，振動依然很大，可以判定該電機轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下屬于撓性轉(zhuǎn)子，必須進行高速動平衡才能真正解決振動問題。

撓性轉(zhuǎn)子之所以發(fā)生撓性變形，是由于轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生塑性或彈性變形所致。塑性變形時由于電機轉(zhuǎn)軸在高速運行時發(fā)生了位移或變形所致，比如電機轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形或位移；而彈性變形則由于電機轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)細長，在額定轉(zhuǎn)速下整體發(fā)生了彈性變形。轉(zhuǎn)子的撓性變形一般有三階振型，如圖1所示。

1.1 剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子

1.1.1 剛性轉(zhuǎn)子動平衡前后殘余不平衡量不隨轉(zhuǎn)速的升高而發(fā)生變化。所以使用低速動平衡可以達到平衡的效果。

1.1.2 撓性轉(zhuǎn)子的不平衡量隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，撓性轉(zhuǎn)子存在不平衡時，主要存在以下特性。

(1)振動與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

撓性轉(zhuǎn)子的振動可以用下式來表示

(1)

式中，A1、A2、A3—分別為一、二、三階的不平衡量；ω1、ω2、ω3—分別為轉(zhuǎn)子的一、二、三階臨界轉(zhuǎn)速；ω—轉(zhuǎn)速。由式⑴可以得出振幅與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖中曲線1是假設(shè)轉(zhuǎn)子只存在一階不平衡是關(guān)系圖；圖中曲線2是假設(shè)轉(zhuǎn)子只存在二階不平衡是關(guān)系圖；圖中曲線3是假設(shè)轉(zhuǎn)子只存在三階不平衡是關(guān)系圖。但是實際轉(zhuǎn)子一般不可能只存在單一的一種形式的不平衡，往往同時存在一、二、三階不平衡，所以振幅與轉(zhuǎn)速的實際關(guān)系將如圖中曲線4所示。

(2)振動的波形為正弦波。

(3)當工作轉(zhuǎn)速一定時，振動的幅值、相位較穩(wěn)定。

2 不平衡過程、分析

2.1 設(shè)備

HD60VS硬支撐臥式動平衡機;轉(zhuǎn)子：1.5MW雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子。

2.2 平衡過程

支撐位置選擇軸承位置；首臺轉(zhuǎn)子在600rpm，初始不平衡量300g，當轉(zhuǎn)速達到1900rpm時，初始不平衡量達到2374g；不平衡量隨著轉(zhuǎn)速的升高增幅很大，因此判斷該轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子。

由于轉(zhuǎn)子在1900rpm下平衡量顯示量過大，在該轉(zhuǎn)速下直接進行動平衡對軸承表面以及設(shè)備有一定破壞，參考相關(guān)資料，初步確定平衡方法采用多步驟：(1)600rpm下進行平衡，殘余量小于10g；(2)1200rpm下進行平衡，殘余量小于10g；(3)最后在1900rpm下進行平衡，殘余量小于5g。

在平衡前對轉(zhuǎn)子進行超速試驗發(fā)現(xiàn)，如圖3所示(振幅-轉(zhuǎn)速圖)，平衡機及轉(zhuǎn)子組成的平衡系統(tǒng)在1600～2100rpm時為振動波動區(qū)域(有撓性變形)，而平衡轉(zhuǎn)速正好在這一區(qū)域內(nèi)，電機的額定轉(zhuǎn)速為1900rpm，正好在這一區(qū)域。

小批量轉(zhuǎn)子做完平衡后，電機試驗過程中發(fā)現(xiàn)，大部分電機振動超標，不合格比例達76%；轉(zhuǎn)子動平衡是引起振動超標的主要因素之一，在排除其他直觀的因素后，對轉(zhuǎn)子重新校驗動平衡，轉(zhuǎn)速選擇避開平衡系統(tǒng)波動較大的區(qū)域，且根據(jù)現(xiàn)場在不同平衡轉(zhuǎn)速下試驗情況，確定平衡轉(zhuǎn)速為1500rpm，對轉(zhuǎn)子進行重新動平衡校正，后續(xù)的電機試驗過程中發(fā)現(xiàn)，電機振動仍然超標，因此該方法沒有解決電機振動超標的根本原因。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖4，對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行分析，轉(zhuǎn)子在滑環(huán)端軸伸較長，且直徑φ70尺寸較小，而在前期動平衡過程中，為了不損傷電機軸伸端外圓，平衡時選用非傳動端(滑環(huán)端)轉(zhuǎn)軸與平衡機萬向節(jié)連接，連接部位轉(zhuǎn)軸剛性差是引起平衡質(zhì)量不穩(wěn)定的因素之一，且電機在振動試驗中，振動超標基本都在滑環(huán)端；因此調(diào)整平衡工藝，新制作動平衡工裝，使平衡機與傳動端軸伸連接，注意平衡過程中保護傳動端軸伸面。

按照多轉(zhuǎn)子平衡方法，對動平衡工藝改進如下：(1)轉(zhuǎn)子與平衡機萬向節(jié)連接部位進行調(diào)整；(2)平衡轉(zhuǎn)速選擇與電機額定轉(zhuǎn)速相同；(3)平衡工藝：①600rpm下進行動平衡，殘余量小于10g；②1900rpm下進行動平衡，不平衡殘余量小于5g；轉(zhuǎn)子裝配動平衡工藝進行改進后，電機在后續(xù)的振動試驗中，振動值全部符合要求。

2.3 數(shù)據(jù)分析：轉(zhuǎn)子1900rpm轉(zhuǎn)速下動平衡滿足要求后，取18臺轉(zhuǎn)子記錄在600rpm下不平衡量及相位，建立圖表見圖5、圖6。

其中系列1為1900rpm時轉(zhuǎn)子殘余不平衡量，系列2為600rpm時轉(zhuǎn)子不平衡量數(shù)據(jù)，系列3為600rpm時轉(zhuǎn)子不平衡量平均值。根據(jù)圖表可知，系列2數(shù)據(jù)均大于系列1數(shù)據(jù)，也就是說，撓性轉(zhuǎn)子進行準高速平衡后，轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)動振動值比在工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動振動值大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動值會逐漸降下來。

剛性轉(zhuǎn)子平衡的目的是消除轉(zhuǎn)子上的不平衡力和不平衡力偶，而柔性轉(zhuǎn)子平衡的目的是消除不平衡力、不平衡力偶和出現(xiàn)的n階振型不平衡量；柔性轉(zhuǎn)子在高速動平衡后，轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)動時增加了n階振型不平衡量，因此殘余不平衡量會增加。

3 結(jié)語

1.5MW雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速動平衡工藝的應(yīng)用，在風力發(fā)電機制造領(lǐng)域是一項技術(shù)提升。柔性轉(zhuǎn)子動平衡時選擇轉(zhuǎn)軸剛性較好的一端與萬向節(jié)連接可得到更準確的數(shù)據(jù)。柔性轉(zhuǎn)子動平衡采用多轉(zhuǎn)速的平衡方法，可有效避免高轉(zhuǎn)速下設(shè)備和產(chǎn)品的損傷。

柔性轉(zhuǎn)子動平衡后，低速運行時振動值比在工作轉(zhuǎn)速下運行時振動值大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動值會逐漸降下來。

[1] 楊國安.轉(zhuǎn)子動平衡使用技術(shù).北京：中國石化出版社，2012.

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High Speed Dynamic Balance Technology for Rotor of Wind Power Generator

CaiWeiguo

(CRRC Yongji Electric Motor Co., Ltd., Xi′an 710018, China)

Taking balance in the production site as an example, the technical method of high-speed dynamic balance is stated based on dynamic balance theory of the rotor, and different conditions appeared in high speed dynamic balance is summarized and analyzed. It can provide guidance for later dynamic balance work.

Dynamic balance；flexibility；vibration；high speed

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.18

TM305.3

B

1008-7281(2016)05-0058-003

蔡衛(wèi)國 男 1984年生；畢業(yè)于西安理工大學，現(xiàn)從事電機設(shè)計工作.

2016-06-30