HEC600MW汽轮发电机定子模态及振动试验研究

1、hec 600mw 汽轮发电机定子模态及振动试验研究姚大坤 曲大庄 摘要：介绍了哈电制造的600mw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600mw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600mw机组为主的新局面1。本文介绍哈电制造的hec 600mw汽轮发电 机定子模态及振动试验情况，供600mw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

2、，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100hz，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100hz，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 600mw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，

3、所以型式试验足以代表电厂运行状况。hec 600mw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66667mva额定功率600mw最大连续出力654mw额定功率因数0.9额定电压20kv额定电流19245a额定转速3000r/min2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

4、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

5、)(4)传递函数hij表示在j点作用一个单位外力，在i点引起的响应。由hij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hij。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)

6、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hl1hl2hllhlm 。由式(4)对于基准点l有lr=1,则能求得mr。再将mr代入其他的传递函数，依次求得振动模态为121mr，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

7、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；i为第i次谐波角频率；ai为第i次谐波幅值；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i=i+180机组运行中，机座主要受50hz工频干扰力和100hz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50hz和100hz的振动，通过频谱分析获得50hz和100hz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

8、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100hz电磁力振动，所以弹簧板主要隔离铁心的100hz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123hz。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

9、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21.5m，2号测点100hz振幅最大值7m，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8m和21m，均低于国家标准30m，也低于哈电公司创优标准25m；轴向振动幅值最大17m，远低于国家标准38m。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100hz振幅的平均值为18.5m，机座4个测点100hz振幅平均值为2.2m，由此可得弹性定位筋隔振系数k为8.4。6小结(1) hec600mw汽轮发电机定子机座椭圆形模态固有频率123

10、hz，避开100hz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) hec600mw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m 工况空载1.0un稳态短路1.0in频率通频50hz100hz通 频50hz100hz111.458.943.478.567.812.90217.2212.937.0213.3212.133.1239.205.832.736.845.88

11、2.3848.054.954.367.513.794.09513.6712.493.3213.329.455.34619.4417.374.3616.7414.064.1675.544.651.844.684.090.8689.018.502.369.157.961.6399.978.203.8410.048.113.941017.3716.044.0618.5315.784.541121.5320.321.9920.7319.284.831212.3611.410.8612.6011.860.811315.0314.962.3817.7917.003.72142.600.441.632.381.560.52152.151.710.845.884.611.71167.967.221.7112.8011.830.89表2额定转速工况，机座、轴承座振动幅值及频率 汽 端 轴 承 座励 端 轴 承 座 机座 水平重直轴向水平重直轴向 171819207153821176.