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摘要：介紹了哈電制造的600MW汽輪發電機定子模態及振動性能試驗研究。給出了定子的橢圓固有頻率，定子鐵心、機座、軸承座的振動幅值及定子機座的隔振系數，可供600MW汽輪發電機運行及大型汽輪發電機組的設計和制造參考。

關鍵詞：汽輪發電機橢圓固有頻率振動

0前言

隨著我國電力事業的蓬勃發展，火電機組的單機容量在不斷增大，火電建設正逐步過渡到以國產600MW機組為主的新局面［1］。本文介紹哈電制造的HEC600MW汽輪發電機定子模態及振動試驗情況，供600MW汽輪發電機運行及大型汽輪發電機組的設計和制造參考。

汽輪發電機在運行過程中，定子將受到轉子磁拉力作用，產生兩倍系統頻率的強迫振動，對于系統頻率為50Hz的發電機，這一激振力頻率為100Hz，并且沿圓周方向橢圓分布。倘若定子橢圓模態固有頻率等于或接近100Hz，機座就可能發生共振，從而產生很大的振動，影響機組的正常運行，甚至發生事故。我們通過試驗獲得了HEC600MW汽輪發電機定子的試驗模態參數，從而考察了定子的動態特性，并對有限元計算方法進行修正。

機組的設計是否合理，最終要通過現場運行來評定。現場振動測量和分析是考核其機械性能的最終標準。我們通過型式試驗，模擬了現場實際運行的各種受力工況，并進行試驗和分析，以預測電廠運行的振動情況。因為廠內試驗振動估算是偏保守的，所以型式試驗足以代表電廠運行狀況。

HEC600MW汽輪發電機定子鐵心與機座之間采用立式彈簧板來隔振，其隔振效果直接關系到機座的壽命和正常運行。立式彈簧板結構不同于常規的臥式彈性定位筋，通過實測確定彈簧板的隔振系數，確保機組的安全運行，同時，為將來更大容量機組的隔振結構的設計和計算提供參考。

1機組主要參數

型號QFSN-600-2YH

額定容量66667MVA

額定功率600MW

最大連續出力654MW

額定功率因數0.9

額定電壓20kV

額定電流19245A

額定轉速3000r/min

2研究內容

2.1模態試驗

定子模態試驗在總裝試驗平臺上進行，與機組在電廠運行狀態完全一致，試驗的模態參數反映了機組實際運行的動態特性。

2.2鐵心、機座、軸承座振動測量

機座、軸承座的振動是國標要求的，也是電廠運行監測參數。我們嚴格按照國家標準及工廠標準進行機座的振動試驗和分析。

2.3彈簧板隔振系數測量

由型式試驗定子鐵心和機座的振動試驗確定彈簧板隔振系數。

3試驗方法和原理

3.1定子模態試驗［2］

本次試驗采用錘擊試驗方法，用力錘對定子機座進行繳振，同時測量激振力和加速度響應，用磁帶機記錄力信號和響應信號，再送入結構動態分析儀對力信號和響應信號進行傅立葉變換，從而獲得各點頻響函數，對頻響函數進行曲線擬和后得到系統的模態參數。

系統運動微分方程

(1)



僅討論粘性阻尼時，位移X(f)對外力F(f)的傳遞函數關系為

(2)

寫成矩陣形式

(3)

(4)



傳遞函數Hij表示在j點作用一個單位外力，在i點引起的響應。由Hij的表達式可見，不論在機械的哪一點測量，得到的傳遞函數的分母相同。因為它與激振點無關，只與頻率和阻尼比有關。分子則與模態剛度、質量、激振點和響應點的模態值大小有關。所以，用一個傳遞函數就可以求出固有頻率、阻尼比；為了求振動模態，則要求出傳遞函數矩陣中的一行或者一列。

由式(4)可見，為了得到i,j點之間的傳遞函數，僅在j點加激振力(單點激振)，測量i點的響應，則可求出Hij。

由振動模態的定義可知，它不是絕對量(指有單位)，而是僅表示各點間的相對關系，且為無因次量。因此，通常按

a)基準點處(傳遞函數矩陣中的某一對角分量)為1。

b)模態質量為1。

c)振動模態向量長度為。

進行正則化，其值本身是個相對量。如果現在利用a)以基準點為1的正則化，當基準點為l時，對l測量傳遞函數則可得到｛Hl1Hl2…Hll…Hlm｝。

由式(4)

對于基準點l有φlr=1,則能求得mr。再將mr代入其他的傳遞函數，依次求得振動模態為｛φ1φ2…1…φm｝r，振動模態求出之后，按照式(3)，各振動模態相乘便能計算出傳遞函數矩陣的全部分量，即可掌握機械對象的動

態特性。

在測量某一行時，將響應點固定在l點上，而將激振點從1移動到m；反之，在測量某一列時，固定激振點，而依次移動響應點，同樣地也可求出振動模態。

3.2振動測量［3］

用加速度、速度或位移傳感器拾取所測部位的振動信號，經過前置放大器進入磁帶機或數字矢量濾波器，并用動態信號分析儀進行頻譜分析。

一般在穩態情況下振動的加速度信號可寫為

(5)

式中，a(t)為結構振動加速度；ωi為第i次諧波角頻率；Ai為第i次諧波幅值；αi第i次諧波相位角。

對式(5)做兩次積分，得到與位移相對應的信號，即

(6)

式中βi=αi+180°

機組運行中，機座主要受50Hz工頻干擾力和100Hz倍頻干擾力作用，其他諧波振動幅值非常小，完全可以忽略。所以，主要研究頻率為50Hz和100Hz的振動，通過頻譜分析獲得50Hz和100Hz加速度振動幅值，由式(6)得到相應頻率下的位移幅值。或者將所采集的加速度信號直接進行數值積分得到振動位移；積分也可以用帶有兩次積分的電荷放大器來完成。

3.3彈簧板隔振系數

彈簧板是連接鐵心與機座的彈性元件，其作用是減振，削弱鐵心對機座的振動。因為鐵心主要受100Hz電磁力振動，所以彈簧板主要隔離鐵心的100Hz振動，其隔振效果由隔振系數K來確定。

4測點布置

模態試驗采用錘擊試驗單點激振法，在定子機座軸向中部沿圓周均勻布置24個點測量響應，激振點選在該圓周的頂部。

振動試驗測點布置分別如圖1、圖2所示。

圖1機座振動測點布置

(測點13為機座軸向測點)

圖2鐵心和機座振動測點布置

5試驗結果分析

模態擬合得到定子的橢圓振型固有頻率為123Hz。滿足橢圓振型固有頻率避開電磁力頻率±10%的要求。

振幅測試結果見表1～表3。

由表1機座振動幅值及頻率可見，在空載和穩態短路工況時，機座11號測點通頻振幅最大值21.5μm，2號測點100Hz振幅最大值7μm，均滿足設計要求。其他測點振幅較小。

由表2軸承座振動幅值可見，勵端軸承座的振動略大于汽端，其水平和垂直方向振幅分別為8μm和21μm，均低于國家標準30μm，也低于哈電公司創優標準25μm；軸向振動幅值最大17μm，遠低于國家標準38μm。

由表3鐵心、機座徑向振動可知，在額定空載工況，鐵心2個測點100Hz振幅的平均值為18.5μm，機座4個測點100Hz振幅平均值為2.2μm，由此可得彈性定位筋隔振系數K為8.4。

6小結

(1)HEC600MW汽輪發電機定子機座橢圓形模態固有頻率123Hz，避開100Hz電磁力頻率足夠遠，說明該機組的動力設計是合理的，機組運行時，機座不會產生較大的振動。

(2)HEC600MW汽輪發電機定子振動幅值完全符合國家標準，可保證機組的長期安全運行。

(3)本文介紹的汽輪發電機定子模態及振動性能試驗方法，適用于新機型式試驗和現場試驗對發電機振動性能的考核與評價。

7參考文獻

［1］汪根.21世紀我國大型發電機制造技術展望.透平發電機學術交流會論文集.2001.

［2］大久保信行.機械模態分析.上海：上海交通大學出版社，1985.

［3］鄭兆昌.機械振動.北京：機械工業出版社，1982.