大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振試驗(yàn)

何啟源　陳昌林　范洋銘

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司　四川德陽　618000)

?

大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振試驗(yàn)

何啟源陳昌林范洋銘

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司四川德陽618000)

摘要：采用模態(tài)分析方法，通過電動(dòng)激振器隨機(jī)激勵(lì)，用加速度傳感器作響應(yīng)傳感器，研究大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)固有頻率、阻尼和振型。試驗(yàn)證明，利用加速度傳感器拾振的模態(tài)分析方法分析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振特性是可行的、可靠的。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振試驗(yàn)研究

大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振，是從20世紀(jì)70年代就引起國際電力界關(guān)注的課題，該問題之所以引起重視，是由于隨著汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量增大，轉(zhuǎn)子材料利用系數(shù)有極大提高，截面功率密度相對(duì)增大，因而降低了機(jī)組軸系的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度安全系數(shù)，影響機(jī)組安全可靠運(yùn)行。轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)大多是各種干擾引起的短暫過程，當(dāng)然也有持續(xù)作用的干擾引起的持續(xù)性強(qiáng)迫振動(dòng)，如汽輪發(fā)電機(jī)的次同步振動(dòng)、由于三相負(fù)荷不平衡形成的負(fù)序電流引起的二倍電網(wǎng)頻率的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)事故爆發(fā)后，其后果往往都是毀滅性的惡性事故，損失極為慘重。

隨著振動(dòng)工程不斷發(fā)展及建模與計(jì)算方法的不斷改進(jìn)，近年來汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振理論計(jì)算(包括軸系固有頻率和機(jī)電擾動(dòng)下的響應(yīng)計(jì)算)已有很大進(jìn)展[1]。但汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體段截面復(fù)雜，轉(zhuǎn)子上部件多，且為手工裝配，建模時(shí)往往難以與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全等效，軸系的固有頻率難以準(zhǔn)確獲得，而電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)擾動(dòng)下扭振響應(yīng)分析的計(jì)算精度更難以保證，須做轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)動(dòng)力特性驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算模型的邊界條件進(jìn)行修正，以確保產(chǎn)品的實(shí)際表現(xiàn)和設(shè)計(jì)具有高度的一致性。

國內(nèi)的一些學(xué)者和專家對(duì)轉(zhuǎn)子扭振測(cè)試方法做了一些研究，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)[2-5]，本文采用加速度傳感器拾振，用經(jīng)典的模態(tài)分析方法，擬對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行扭振模態(tài)試驗(yàn)。

1基本原理

對(duì)單自由度轉(zhuǎn)子扭振系統(tǒng)，抗扭剛度GIp，圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I，C為阻尼，M為振動(dòng)臺(tái)輸出最大扭矩幅值,ω為激振頻率。單自由度轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與彈簧振子相似(轉(zhuǎn)軸的抗扭剛度GIp提供回復(fù)力相當(dāng)于彈簧彈性系數(shù)k，圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I相當(dāng)于質(zhì)量塊m)，其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)微分方程如下：

(1)

(2)

(3)

其中:

扭轉(zhuǎn)振幅

(4)

相位角

(5)

式(3)中,第一部分為與激勵(lì)力矩同形式的定常強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，第二部分為初始狀態(tài)引起的自由振動(dòng)，第三部分為激勵(lì)力矩引起的自由振動(dòng)，自由振動(dòng)會(huì)隨時(shí)間的推移消逝，最后只剩下定常強(qiáng)迫振動(dòng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，方程(2)的解為

φ=Φcos(ωt-φ)

(6)

扭轉(zhuǎn)角速度

(7)

扭轉(zhuǎn)角加速度

(8)

由式(6)和式(8)可知，在轉(zhuǎn)子同一半徑處測(cè)得的加速度信號(hào)與位移信號(hào)的幅值之比等于激勵(lì)頻率的平方，用加速度測(cè)量轉(zhuǎn)子扭振信號(hào)比用位移敏感得多，測(cè)量誤差更小。

2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將轉(zhuǎn)子用靜壓軸承支撐，采用“單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)拾振”方法，通過激振器在轉(zhuǎn)子汽端法蘭對(duì)轉(zhuǎn)子施加切向激勵(lì)，加速度傳感器同時(shí)拾取轉(zhuǎn)子各個(gè)測(cè)點(diǎn)徑向和切向振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。由接口箱將激振力和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采集該激振力與振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，通過模態(tài)分析軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得模態(tài)參數(shù)：固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。

測(cè)點(diǎn)布置：在轉(zhuǎn)子9個(gè)截面的圓周上布置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)圓周均布4個(gè)測(cè)點(diǎn)，一共36個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，在測(cè)點(diǎn)1的位置，用激振器對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行切向隨機(jī)激勵(lì)，分別在各個(gè)測(cè)點(diǎn)拾取加速度響應(yīng)信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片圖略。

測(cè)試系統(tǒng)組成：模態(tài)分析軟件、力傳感器、加速度傳感器、數(shù)據(jù)調(diào)理器、多通道同步數(shù)據(jù)采集器、振動(dòng)控制器、功率放大器、激振器、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖1　測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3試驗(yàn)結(jié)果

為了搞清楚大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)動(dòng)力特性及其行為方式，對(duì)某大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無線棒和護(hù)環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行了扭振模態(tài)分析，測(cè)試頻響函數(shù)集總平均如圖3所示，包括了扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)。其中小圓點(diǎn)標(biāo)示處為扭轉(zhuǎn)模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率。

圖3　頻響函數(shù)集總平均

模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果如表1所示。轉(zhuǎn)子各階扭轉(zhuǎn)固有頻率對(duì)應(yīng)的振型以及和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖4-圖7所示。

表1　模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果

圖4　第一階扭轉(zhuǎn)振型計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

圖5　第二階扭轉(zhuǎn)振型計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

圖6　第三階扭轉(zhuǎn)振型計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

圖7　第四階扭轉(zhuǎn)振型計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

從圖4-圖7可以看出，試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的振型完全吻合，試驗(yàn)方法可行。

4結(jié)論

綜上所述，本文提出用加速度傳感器代替位移傳感器或齒盤，用模態(tài)分析方法測(cè)試大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)模態(tài)的方法是可行的、可靠的。該方法與用位移傳感器測(cè)試或齒盤測(cè)試轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)模態(tài)方法相比有如下優(yōu)勢(shì)：1)利用加速度信號(hào)的放大效應(yīng)，響應(yīng)信號(hào)對(duì)激勵(lì)的靈敏度為傳統(tǒng)位移信號(hào)靈敏度的ω2倍(ω為激勵(lì)頻率)，傳遞函數(shù)峰值更加突出，模態(tài)參數(shù)識(shí)別精度更高；2)沒有信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過程，減少了數(shù)據(jù)處理過程中的誤差；3)讓大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子這種難以激勵(lì)的大型轉(zhuǎn)子扭振模態(tài)試驗(yàn)變得可行。

參考文獻(xiàn)

[1]劉英哲，傅行軍. 汽輪發(fā)電機(jī)組扭振[M]. 北京：中國電力出版社，1997.

[2]楊卓君，聊明夫. 基于加速度傳感器測(cè)量扭振方法的研究[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2008,10(5):163-167.

[3]魏江，廖明夫，楊伸記. 直接測(cè)量轉(zhuǎn)子振動(dòng)加速度的方法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，12(12)：149-151.

[4]王芝英，趙興華. 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)等效剛度分析[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，1990,12(3):1-6，21.

[5]何成兵，顧煜炯，楊昆. 汽輪發(fā)電機(jī)組扭振模型和算法綜述[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,30(2):56-60.

Testing Research on Torsional Vibration of Turbo Generator

HE Qi-yuan, CHEN Chang-lin, FAN Yang-ming

(DongfangElectricMachineryCo.,Ltd,Deyang618000,Sichuan,China)

Abstract:This paper presented a new method to measure the torsional vibration of turbo generator, with an accelerator installed directly on the rotor, to obtain the natural frequencies, damping ratios and shapes. The comparisons of the computing results and testing results indicate that the method presented in this paper is available for the torsional measurement of turbo generator rotor.

Key words:Turbo generator; Rotor; Torsional vibration

中圖分類號(hào)：TM311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-8755(2015)04-0047-03

作者簡介:何啟源(1977—)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷等。E-mail:heqiyuan@sina.com

收稿日期：2015-07-01