HEC 600MW 汽轮发电机定子模态及振动试验研究

摘要：介绍了哈电制造的600?MW汽轮发电机定子模态及振动性能试验研究。给出了定子的椭圆固有频率，定子铁心、机座、轴承座的振动幅值及定子机座的隔振系数，可供600?MW汽轮发电机运行及大型汽轮发电机组的设计和制造。

关键词：汽轮发电机 椭圆固有频率 振动

 

0　前言

　　随着我国电力事业的蓬勃，火电机组的单机容量在不断增大，火电建设正逐步过渡到以国产600?MW?机组为主的新局面^［1］。本文介绍哈电制造的HEC 600?MW汽轮发电 机定子模态及振动试验情况，供600?MW汽轮发电机运行及大型汽轮发电机组的设计和制造参考。
　?汽轮发电机在运行过程中，定子将受到转子磁拉力作用，产生两倍系统频率的强迫振动，对于系统频率为50Hz的发电机，这一激振力频率为100?Hz，并且沿圆周方向椭圆分布。倘若定子椭圆模态固有频率等于或接近100?Hz，机座就可能发生共振，从而产生很大的振动，影响机组的正常运行，甚至发生事故。我们通过试验获得了HEC 600?MW汽轮发电机定子的试验模态参数，从而考察了定子的动态特性，并对有限元方法进行修正。
　　机组的设计是否合理，最终要通过现场运行来评定。现场振动测量和分析是考核其机械性能的最终标准。我们通过型式试验，模拟了现场实际运行的各种受力工况，并进行试验和分析，以预测电厂运行的振动情况。因为厂内试验振动估算是偏保守的，所以型式试验足以代表电厂运行状况。
　?HEC 600?MW汽轮发电机定子铁心与机座之间采用立式弹簧板来隔振，其隔振效果直接关系到机座的寿命和正常运行。立式弹簧板结构不同于常规的卧式弹性定位筋，通过实测确定弹簧板的隔振系数，确保机组的安全运行，同时，为将来更大容量机组的隔振结构的设计和计算提供参考。

1　机组主要参数

　　?型号　　　　　　　QFSN-600-2YH
　　?额定容量　　　　　666?67?MVA
　　?额定功率　　　　　600?MW
　　?最大连续出力　　　654?MW
　　?额定功率因数　　　0.9
　　?额定电压　　　　　20?kV
　　?额定电流　　　　　19245?A
　　?额定转速　　　　　3000?r/min

2　研究内容

2.1　模态试验
　?定子模态试验在总装试验平台上进行，与机组在电厂运行状态完全一致，试验的模态参数反映了机组实际运行的动态特性。
2.2　铁心、机座、轴承座振动测量
　?机座、轴承座的振动是国标要求的，也是电厂运行监测参数。我们严格按照国家标准及工厂标准进行机座的振动试验和分析。
2.3　弹簧板隔振系数测量
　?由型式试验定子铁心和机座的振动试验确定弹簧板隔振系数。

3　试验方法和原理

3.1　定子模态试验^［2］?
　　本次试验采用锤击试验方法，用力锤对定子机座进行缴振，同时测量激振力和加速度响应，用磁带机记录力信号和响应信号，再送入结构动态分析仪对力信号和响应信号进行傅立叶变换，从而获得各点频响函数，对频响函数进行曲线拟和后得到系统的模态参数。
　　?系统运动微分方程?
　　　　　　(1)
　　?
　　仅讨论粘性阻尼时，位移X(f)对外力F(f)的传递函数关系为
　　?　　(2)
　　?写成矩阵形式?
　　　　　　(3)
　　?　　?(4)
　　?
　　传递函数H_ij表示在j点作用一个单位外力，在i点引起的响应。由H_ij的表达式可见，不论在机械的哪一点测量，得到的传递函数的分母相同。因为它与激振点无关，只与频率和阻尼比有关。分子则与模态刚度、质量、激振点和响应点的模态值大小有关。所以，用一个传递函数就可以求出固有频率、阻尼比；为了求振动模态，则要 求出传递函数矩阵中的一行或者一列。
　?由式(4)可见，为了得到i,j点之间的传递函数，仅在j点加激振力(单点激振)，测量i点的响应，则可求出H_ij。
　?由振动模态的定义可知，它不是绝对量(指有单位)，而是仅表示各点间的相对关系，且为无因次量。因此，通常按　　?
　　a) 基准点处(传递函数矩阵中的某一对角分量)为1。
　?b) 模态质量为1。
　　c) 振动模态向量长度为。
　　进行正则化，其值本身是个相对量。如果现在利用a)以基准点为1的正则化，当基准点为l时，对l测量传递函数则可得到｛H_l1H_l2…H_ll…H_lm｝ 。
　?由式(4)　?
　　?
　　?
　　?　　?
　　
　　对于基准点l有φ_lr=1,则能求得m_r。再将m_r代入其他的传递函数，依次求得振动模态为｛φ₁φ₂…1…φ_m｝_r，振动模态求出之后，按照式(3)，各振动模态相乘便能计算出传递函数矩阵的全部分量，即可掌握机械对象的动
态特性。
　?在测量某一行时，将响应点固定在l点上，而将激振点从1移动到m；反之，在测量某一列时，固定激振点，而依次移动响应点，同样地也可求出振动模态。
3.2　振动测量^［3］
　　用加速度、速度或位移传感器拾取所测部位的振动信号，经过前置放大器进入磁带机或数字矢量滤波器，并用动态信号分析仪进行频谱分析。
　?一般在稳态情况下振动的加速度信号可写为
　　?　　?(5)
式中，a(t)为结构振动加速度；ω_i为第i次谐波角频率；A_i为第i次谐波幅值；α_i第i次谐波相位角。
　　?对式(5)做两次积分，得到与位移相对应的信号，即
　　?　?(6)
　　?式中β_i=α_i+180°
　?机组运行中，机座主要受50?Hz工频干扰力和100?Hz倍频干扰力作用，其他谐波振动幅值非常小，完全可以忽略。所以，主要研究频率为50?Hz和100?Hz的振动，通过频谱分析获得50?Hz和100?Hz加速度振动幅值，由式(6)得到相应频率下的位移幅值。或者将所采集的加速度信号直接进行数值积分得到振动位移；积分也可以用带有两次积分的电荷放大器来完成。
3.3　弹簧板隔振系数
　　弹簧板是连接铁心与机座的弹性元件，其作用是减振，削弱铁心对机座的振动。因为铁心主要受100?Hz?电磁力振动，所以弹簧板主要隔离铁心的100?Hz振动，其隔振效果由隔振系数K来确定。
　　

4　测点布置

　　模态试验采用锤击试验单点激振法，在定子机座轴向中部沿圆周均匀布置24个点测量响应，激振点选在该圆周的顶部。
　?振动试验测点布置分别如图1、图2所示。

图1　机座振动测点布置?
( 测点13为机座轴向测点)?

图2　铁心和机座振动测点布置?

5　试验结果分析

　?模态拟合得到定子的椭圆振型固有频率为123?Hz。满足椭圆振型固有频率避开电磁力频率±10%的要求。
　?振幅测试结果见表1～表3。?
　　由表1机座振动幅值及频率可见，在空载和稳态短路工况时，机座11号测点通频振幅最大值21.5μm，2号测点100?Hz振幅最大值7μm，均满足设计要求。其他测点振幅较小。?
　　由表2轴承座振动幅值可见，励端轴承座的振动略大于汽端，其水平和垂直方向振幅分别为8μm和21μm，均低于国家标准30μm，也低于哈电公司创优标准25μm；轴向振动幅值最大17μm，远低于国家标准38μm。?
　　由表3铁心、机座径向振动可知，在额定空载工况，铁心2个测点100?Hz振幅的平均值为18.5μm，机座4个测点100?Hz振幅平均值为2.2μm，由此可得弹性定位筋隔振系数K为8.4。?

6　小结?

　　(1) HEC600?MW汽轮发电机定子机座椭圆形模态固有频率123?Hz，避开100?Hz电磁力频率足够远，说明该机组的动力设计是合理的，机组运行时，机座不会产生较大的振动。?
　　(2) HEC600?MW汽轮发电机定子振动幅值完全符合国家标准，可保证机组的长期安全运行。
　　(3) 本文介绍的汽轮发电机定子模态及振动性能试验方法，适用于新机型式试验和现场试验对发电机振动性能的考核与评价。?

表1　额定空载和额定短路工况机座振幅峰-峰值及频率　　　　μm

工　　况	空载1.0UN			稳态短路1.0IN
频　　率	通　　频	50?Hz	100?Hz	通 　频	50?Hz	100Hz
1	11.45	8.94	3.47	8.56	7.81	2.90
2	17.22	12.93	7.02	13.32	12.13	3.12
3	9.20	5.83	2.73	6.84	5.88	2.38
4	8.05	4.95	4.36	7.51	3.79	4.09
5	13.67	12.49	3.32	13.32	9.45	5.34
6	19.44	17.37	4.36	16.74	14.06	4.16
7	5.54	4.65	1.84	4.68	4.09	0.86
8	9.01	8.50	2.36	9.15	7.96	1.63
9	9.97	8.20	3.84	10.04	8.11	3.94
10	17.37	16.04	4.06	18.53	15.78	4.54
11	21.53	20.32	1.99	20.73	19.28	4.83
12	12.36	11.41	0.86	12.60	11.86	0.81
13	15.03	14.96	2.38	17.79	17.00	3.72
14	2.60	0.44	1.63	2.38	1.56	0.52
15	2.15	1.71	0.84	5.88	4.61	1.71
16	7.96	7.22	1.71	12.80	11.83	0.89

表2　额定转速工况，机座、轴承座振动幅值及频率      μ

汽 端 轴 承 座			励 端 轴 承 座			机　　座
水　平	重　直	轴　向	水　平	重　直	轴　向	17	18	19	20
7	15	3	8	21	17	6.5	10.1	8.2	8.2

表3　额定空载工况，铁心、机座径向振动100?Hz峰-峰值　　　　μ

机　　　　座				铁　　　　心
17	18	19	20	21	22
4.4	1.1	2.1	1.2	19.0	18.0

7　?

　　［1］　汪根.21世纪我国大型发电机制造技术展望.透平发电机学术交流会论文集.2001.
　?［2］　大久保信行.机械模态分析.上海：上海大学出版社，1985.
　?［3］　郑兆昌.机械振动.北京：机械出版社，1982.