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参考。

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发展，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，并对有限元计算方法进行修正。
　　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。