大型汽轮发电机定子端部绕组动态特性研究

２（）０２．　２　一分一一部一一机～一电一ｐｅ　　太电机技术　Ｂ　＾ｊ　大型汽轮发电机定子端部绕组　动态特性研究　姚大坤　，曲大庄　，李　，李志和　（１．哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨１５００４０；　２．中国哈尔滨电站设备集团套司，黑龙江哈尔滨１５００４０；　３．发电设备国家工程研究中Ｊ心，黑龙江哈尔滨１５００４０）　【摘要］　本文用锤击法对某大型汽轮发电机定子端部绕组进行了模态研究。建立起端部绕组部件和整体　结构模型，定量确定出影响汽轮发电机定子端部模态固有频率的关键因素．提出改进方案，以确保端部动力特　性、满足设计要求。　【关键词］锤击法；模态；汽轮发电机；定子端部绕组　【中国分类号］ＴＭ３Ｉ￣　【文蘸标识码］Ａ　【文章编号］ｔ０００－３９８３（２００２）０２－０００ｔ。０４　ＣａⅫ栅　Ｌ舡　ｌｒｂ０ｇ∞ｅｍ０Ｄｒ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎＥＩ－ｄＷｉｎｄｉｎｇＤｙｌｌＹＡＯ　Ｄａ．ｋｕｎＩ，Ｑｕ　Ｄａ．出Ｉｌ踟　，ＬＩ｝ｈ　，ＬＩ　Ｚｈｉ．１ｌｅ　（１．Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００４Ｏ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈｉｎａ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０。帅，Ｃｈｉｎａｉ　３．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ－－ＰｏｗｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０ｏ４ｏ，ｃｌｌｉｍ）　Ａｂｓｌｒａｅｔ：　Ｉｎｔｈｉｓ　ｐａｌｅｒ，ｔｈｅｍｏｄａｌ　ｏｆｌａｒｇｅｔｔｔｒｂｏｇｃａ＇￣ｅｒａｔｅｒ　ｓｔａｔｏｒ　ｅｎｄｗｌｍｄｉｎｇｉｓ　ｓｕｄｉｔｅｄ　ｕｓｉ　ｉＩｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｐａｒｔｏｓ　ａｎｄ　ｗｈｏｌｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆ　ｏｓｔａｌ０ｒ　ｅｎｄ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ａＩｅ　ｓｅｔ　ｕｐ．ＴｔＩｅ　ｋｅｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎ－　ｌｆｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅ　ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ　ｅｎｄ￣ｉ．０ｉ＝ｓ　ａＩｅ　ｄｅｆｍｅｄｉｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ．１ｌ１ｅ　ｐＩＩ　Ｉｌｇｐｌ且ｎｉｓ　ｐｒｅｓｍｔｅｄ　９０　【ｌＩａｔ　ｅｎｓｔｌｉ￣ｅｎｄ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｄｙ／ｌａｌ￣ｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｔｏ　ｓａｄ　ｗｉｈ　ｄｅｓｉｔｇｎ　ｄｅｍａｎｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎ　ｄ８ｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｍｏｄａｌ￣ｅｒａｅｔｒ；ｓｔ日岫ｒ　ｅｎｄ　ｗｉｎｄｉｎｇ　性能带来了很大的困难；端部使用绝缘螺杆、压板、弹　簧板固定，如何选取恰当的边界条件是另一个难题。　为了解决上述三个问题，找出影响端部固有频率　的各种因素，采用“解剖”的方法对某大型汽轮发电机　定子端部结构动力特性进行了试验研究。将端部结构　１前言　汽轮发电机定子端部的模态固有频率对机组的安　全运行有很大影响　汽轮发电机在运行中，将受到频　率为１００Ｈｚ的电磁干扰力作用，这个干扰力以椭圆形　式分布。如果汽轮发电机定子端部线棒的固有频率接　近１００Ｈｚ，将会引起较大的振动，影响机组的安全运　分解成单个元件进行固有频率及模态试验，结合计算　确定各种材料的性质，并通过反复试验和计算来建立　恰当的模型，　及选取合适的边界条件。最后，将单个　元件组合成整体进行整体计算分析和试验研究。　通过数台定子端部结构的试验研究和计算分析，　找到了影响端部结构整体固有频率的各种因素，提出　了端部结构的改进措施，对实施后的定子端部进行了　模态试验。试验结果表明，该发电机定子端部整体椭　圆模态固有频率避开了１００Ｈｚ。　行。因此，线棒或端部整体椭圆模态固有频率避开电　磁干扰力频率是设计和制造必须遵守的准则。　然而，汽轮发电机端部振动问题是一个世界性的　难题，其难度在于端部结构特别复杂，且端部结构具有　很强的非线性。线棒出槽后弯曲成空问曲线，几何形　状本身较复杂，给试验模型和计算模型的建立带来很　大困难；各种环氧绝缘材料的使用，对确定材料的力学　维普资讯 http://www.cqvip.com

大型汽轮发电机定子端部绕组动态特性研究　２００２№２　本文研究并解决ｌ『某汽轮发电机定子端部存在　ｌＯＯＨｚ左右椭圆模态固有振动频率的问题，为汽轮发　电机定子端部结构的试验和计算积累了丰富的数据和　经验。　２研究内容　本文用理论计算与试验结合确定各个部件的连接　方式和边界条件，建立部件的模型进行计算。用试验　结果进行验证，确定部件的材料力学性能，最后建立端　部结构的试验模型和计算模型，通过有限元计算分析　等手段找出影响端部结构固有频率的各种因素，并通　过大量的试验进行验证，确定模型可靠适用。　为获得材料的性能、结构的特征及边界条件的性　质，我们做了大量的试验研究及计算。试验研究的主　要内容如下：　（１）单根线捧一单根线棒自由状态的固有频率试　验。测试线棒的固有频率、振型，以确定线棒的材料性　能。　（２）单根支架一端部支撑结构单根支架的固有频　率试验，测试支架的固有频率，以确定支架的支撑特　性，弹簧板对支架的影响系数。　（３）支撑端环—端部支撑结构端环的模态试验分　析，测试端环的固有频率和模态振型，确定端环的材料　性能和模态参数。　（４）支撑系统一端环支撑系统模态试验的研究，确　定支撑系统模态参数及端部绕组质量、刚度对端部模　态的影响。　（５）端部整体模态研究一不同支撑条件，定子端部　整体模态研究，确定支撑条件改变对整体固有频率及　振型的影响。端部结构修改实施后，对该汽轮发电机　定子端部进行整体模态研究。　３研究方法　３．１原理　采用锤击法进行固有频率测试和模态试验研究。　用力锤锤击试件或端部结构，同时用加速度传感器测　量加速度响应。力信号和加速度信号经放大器放大，　送人动态信号分析仪进行分析，求出结构的频响函数　（或传递函数）。通过对频响函数曲线的分析获得结构　的固有频率。用模态分析软件，建立结构模型，对传递　函数进行分析，拟合可得到模态参数，即结构的固有频　率、模态振型、阻尼等。　３．１．１锤击法的理论基础＿】　（１）传递函数矩阵　多自由度系统的振动方程为　［Ｍ］｛　｛＋［Ｃ］｛　ｊ＋［　］｛　｝＝｛ｆ｝　（１）　在此仅讨论比例粘性阻尼。位移　｛，｝对外力　ｒｌｆ｝的传递函数关系为　＝骞之　ｒ：【一∞ｍｒ＋　ｒ＋　㈤　将式（２）写成矩阵形式　，Ｙ｛＝　蛀ｌ　｝：　一甜　ｍ　＋豇　＋　，ｊ　—日ｌ１　Ｈｉ２…Ｈｔ　］　Ｈ２１　日　…　…ｌ　（３）　：　：　：　：　ｌ　一＾『ｍｔ＾　２…＾『瑚Ｊ　—Ｈｕ　Ｈ１２…Ｈ１　］　［Ｈ］＝　Ｈ２ｉ如……ｊ　：　：　：　：　（４）　．Ｈ　Ｈｍ２…Ｈ　一　我们称Ｉｎ］为位移Ｘ｛厂ｉ对外力Ｆ｛，｝的传递矩　阵，它是由模态向量　阵的ｉ，　分量，即在　点作用的外力与ｉ点响应之间的　至ｌ　构成的。于是，传递函数矩　关系表示为位移一力的传递函数形式，可写为　＝等＝耋　妊监　一＝　一甜蚤　　＋甜　＋　￡　㈥　¨　（２）锤击法　由式（５）可见，为了得到　，　点之间的传递函数，　仅在　点加激振力（单点激振），测量ｉ点的响应，则可　求出巩。　由式（３）、式（５）可知，若仅求固有频率和阻尼比，　只要一个传递函数就足够了。为了求振动模态，只要　测定传递函数矩阵中的一行或一列即可。下面，对此　作进一步阐述。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２∞２．Ｎｏ２　大电机技术　３　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；　于响应信号截断而产生能量泄漏；另一方面，响应波形　最初具有较大的响应，随之逐渐衰减，最后噪声产生的　影响也越来越大　为此，对响应加指数窗进行处理，以　减小误差（如图１所示）。　５０００ｍＶ　ｃ．振动模态向量长度为１（√衍＋　＋……　＝１）　进行正则化，其值本身是个相对量。如果现在利用ａ　项以基准点为１的正则化，当基准点为ｆ时，对ｆ测量　传递函数则可得到｛　ｌ　２．．・月　…乩　｝，由式（５）得　翌　翌　・＝　ｒ＝】一　Ｏ．Ｉ　十　ｒ＋』　Ｅｒｆ￣Ｏ　ｒ　啦　：∑　对于基准点ｆ有弛＝１，则能求得ｍｒ。再将ｍ　代人其　它的传递函数，依次求得振动模态为｛ｐｌｐ２…１…　‰ｉ　，振动模态求出之后，按照式（４）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ｆ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。　３．１．２信号分析处理　为了减小干扰和误差，信号分析中采用了各种成　熟的提高信噪比的方法。从结果可见，通过这些处理，　获得了比较满意的结果。　（１）力脉冲信号的处理　由于脉冲持续时间短，脉冲后面数据均为噪声干　扰信号，为此采用加力窗函数的办法进行信号处理。　其表达式如下ｌ２Ｊ：　１　，　≤１．２ｒ　盼（　）＝　［１＋ｃｏｓ　（　＿ｌ＿２ｒ）］　，Ｌ２ｒ≤　≤１．８ｒ　０　，　＞１．８ｒ　（６）　对于脉冲响应信号曼曼　…～．……～…。４数据整理　，特别在小阻尼系统模态测试　时，若分析频率较高，因采样时间短，而响应衰减慢，由　世　Ｊｌ１　ｋ１．１．．．　．．．　…工¨－　ｗｌｌ，￣ｉ　ｒ，１．，　’　　。时同　图１力和响应时域波形　（３）传递函数　为了消除传递函数计算中的噪声误差，分析中用　互功率谱计算传递函数．即　町）＝哿＝　＝器（７）　用式（７）计算传递函数，通过平均处理即可进一步消除　因响应混入噪声而引起的误差，使传递函数曲线更光　滑。圈２是经过平均处理的传递函数曲线和相干函数　曲线。由此可见，传递函数曲线比较光滑，固有频率附　近相干函数值几乎等于ｌ，说明信噪比较高。　啊　蹬　进　１　嘎　霉　频率　．　图２传递函数和相干函数曲线　……一　（１）单根线棒固有频率一线棒在自由状态下固有　维普资讯 http://www.cqvip.com

４　大型汽轮发电机定子端部绕组动态特性研究　２００２．№２　频率及模态试验，结果见表１。　表４　Ｈｚ　————————————量．＿——　————————　次振　苎　－　兰兰　圭　苎　苎堡塑苎　频率３．６０　１１　０４　２７．８２　３７．２４　４７．３３　５０　５２　５４．２８　５７．３４　６２．１４　汽端　励端　汽端　励端　汽端　励端　删　７２　７４　８９　６７．４　８４　６　５８　（２）单根支架一支架对端部支撑结构的刚度起着　椭圆８０　８２　８ｏ　９Ｉ　椭圆１０９１１３　Ｉ昕Ｉ】６　ｌｌ２　Ｉ∞　７８．４５　舯　重要作用，支架的固有频率见表２。　三瓣　１６３　１６４　】５０　１５０　１０５　９４　表　２　Ｈｚ　四瓣２２５　丑　２】７　２１５　ｌ５０　】３６　特性存在一些问题。按原结构制造的机组有的定子端　部椭圆模态固有频率靠近１００Ｉ％，为此我们对该机组　（３）支撑端环一端部支撑端环自由状态模态固有　端部动力特性进行了详细的研究。通过上述“分解”方　频率及振型见表３。　法的研究，掌握了影响端部整体模态固有频率的几个　表　３　Ｈｚ　关键因素，提出了新的设计方案。通过调整结构参数　和边界条件，使定子端部整体椭圆模态固有频率远远　鹱率　３０　５ｏ　８８　１５４　１７０　地避开了１００Ｈｚ。改进后，端部整体固有频率及振型　振塑　圃　椭圆　椭圆　三瓣　三瓣　四瓣　见表５。汽端端部整体模态振型及模态参数见图３。　（４）支撑系统一为了研究不同的支撑条件下，端部　表　５　整体模态的变化，我们对三台试验定子在不同的支撑　汽端加．５２　５４．５０　９３．０２　１４６．４６　１９４　３０　条件下，端部支撑支架、端环、绑环组装成端部支撑系　励螭加５　５０．４５　５６　３７　９６　２５　１３９．０７　１６ｏ．７６　１９１　８３　统进行了模态试验研究，其固有频率及振型见表４。　振型　圆　椭圆　椭圆　三瓣　四瓣　五瓣　五瓣　（５）定子端部一该型号汽轮发电机定子端部动力　⑦　０　固　国　固有期串：４０　５批　二阶固有搏率：５４　５Ｈｚ　三隋固有鞭宰：９３　Ｏ矗ｂ　四瞬固有攮串：１４６．４５Ｉｊｌ五置ｒ固有期卓：１９４　３血　图３端部整体固有频率和摸态参数　５结论　［参考文献】　（１）本文阐述了锤击法的原理及在工程中应用时　［１］　大久保信行．机械模态分析［Ｍ］．上海：上海交通　对现场信号应采取的各种处理方法。　大学出版社，１９８５年　（２）本文用传递函数模态分析的方＿法定量确定出　［２］傅志方．振动模态分析与参数辩识［Ｍ］．北京：机　影响大型汽轮发电机定子端部绕组固有频率的各种因　械工业出版社．１９９０年．　素，提出改进方案，以确保端部动力特性满足设计要　［收稿日期］２００ｔ—ＩＯ一０８　求。　（３）建立了汽轮发电机定子端部绕组部件和整体　结构的试验模型，确定其边界条件，可用于指导大型汽　［作者简介】　姚大坤（１９６６一），１９８９年毕业于哈尔滨工业　轮发电机定子端部绕组动力特性的设计与研究。　大学，获学士学位；１９９５年获暗尔滨工业大　（４）虽然汽轮发电机定子端部绕组存在较强的非　学硕士学位；主要从事机械强度与振动研究　线性，但是用传递函数方法识别端部的动力特性参数　工作，擅长发电机组振动、噪声故障的诊断　仍是一种简便可行的方法。　和排除；高级工程师。