1、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 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
2、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 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
3、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 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
4、，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
5、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 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
6、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
7、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；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
8、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
9、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
10、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123Hz ，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
11、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50Hz100Hz111.458.943.478.567.812.90217.2212.937.0213.3212.133.1239.205.832.736.845.882.3848.054.954.367.513.794.09513.6712.493.3213.329.455.34619.4417.374.3616.7414.064.1675.544.651.844.684.090.8689.018.502.369.157.961.6399.978.203.8410.048.113.941017.37
