基于NX+NASTRAN的余熱發(fā)電機(jī)座模態(tài)分析

周衛(wèi)元

（1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江電大蕭山學(xué)院，浙江 杭州 311201）

余熱發(fā)電機(jī)機(jī)座由多個(gè)零部件組裝而成，其固有頻率的計(jì)算非常困難，以前只能憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，制造完成以后再進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，有的甚至是在安裝運(yùn)行一段時(shí)間以后，才發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座存在嚴(yán)重振動(dòng)。

通過(guò)基于NX+Nastran有限元法分析，在設(shè)計(jì)時(shí)就能搞清楚機(jī)座結(jié)構(gòu)在易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)特性，預(yù)測(cè)機(jī)座結(jié)構(gòu)在某頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

本文對(duì)某12MW的余熱發(fā)電機(jī)機(jī)座進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證機(jī)座的振動(dòng)是否在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

1 機(jī)座有限元模型的建立

1.1 機(jī)座幾何模型建立

根據(jù)余熱發(fā)電機(jī)機(jī)座的二維圖紙，使用UG NX 6建立機(jī)座的三維模型，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)機(jī)座實(shí)體模型圖

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)發(fā)電機(jī)座實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，略去了對(duì)于機(jī)座強(qiáng)度影響不大的通氣孔、承受載荷并不關(guān)鍵的安裝用吊環(huán)等功能件和非承載件；簡(jiǎn)化了連接部位的過(guò)渡形式，使構(gòu)建表面光滑；對(duì)孔、臺(tái)階、凹槽、翻邊等結(jié)構(gòu)，在截面特性等效的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化；忽略對(duì)截面特性影響不大的特征。

1.2 定義材料屬性

在建立機(jī)座有限元模型時(shí)，所要定義的材料屬性有材料的彈性模量E、泊松比γ，材料密度ρ等。機(jī)座材料選用Q235，力學(xué)性能參數(shù)為：密度7.85×103kg／m3，彈性模量 2.06×1011Pa，泊松比 0.3，熱膨脹系數(shù)1.20×10-5℃，屈服強(qiáng)度2.35×108N／m2，抗拉強(qiáng)度4.2×108N／m2。

1.3 單元類型

對(duì)于發(fā)電機(jī)座，根據(jù)其幾何形狀特征和主要力學(xué)特性，采用3D和2D相結(jié)合的單元類型，對(duì)于機(jī)座支撐筋、下邊框、吊攀采用單元大小為30 mm的六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)于機(jī)座底板采用單元大小為30 mm的四面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；由于機(jī)座的其他結(jié)構(gòu)采用鋼板焊接而成，故采用單元大小為30 mm的四邊形2D板殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.4 邊界條件

載荷邊界條件：發(fā)電機(jī)機(jī)座承受的載荷比較復(fù)雜，包括機(jī)座自重53 400 N、定子沖片重量151 000 N、定子沖片沿定子軸向的張力1 500 000 N、發(fā)電機(jī)意外短路扭矩390 000 kg.cm，以及轉(zhuǎn)子對(duì)定子的電磁力以及機(jī)座螺栓預(yù)緊力等。

約束邊界條件：發(fā)電機(jī)機(jī)座安裝在底座上，與支座撐板處接觸，底座用地腳螺栓固定。

發(fā)電機(jī)座有限元模型如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)機(jī)座的有限元模型

2 機(jī)座的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用來(lái)確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是分析結(jié)構(gòu)承受動(dòng)態(tài)載荷的重要參數(shù)，同時(shí)也可以進(jìn)行更為詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析。

2.1 模態(tài)分析結(jié)果

發(fā)電機(jī)座8階振型如圖3、4、5、6所示。

圖3 發(fā)電機(jī)機(jī)座1、2階振型圖

圖4 發(fā)電機(jī)機(jī)座3、4階振型圖

圖5 發(fā)電機(jī)機(jī)座5、6階振型圖

圖6 發(fā)電機(jī)機(jī)座7、8階振型圖

發(fā)電機(jī)機(jī)座模態(tài)分析前八階頻率和部位見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電機(jī)機(jī)座模態(tài)分析前八階頻率和部位

2.2 模態(tài)分析結(jié)論

根據(jù)分析發(fā)電機(jī)座前八階振型圖可知：

第1、2、7階是主鋼結(jié)構(gòu)的軸向振動(dòng)，由于在這個(gè)方向受定子沖片的制約，運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)這種情況；第3～6階為外殼的振動(dòng)情況，范圍是129 Hz～131 Hz，與100 Hz(機(jī)組的2倍頻率)相比距離不大，第8階是我們最關(guān)心的情況，這是主鋼結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)，因?yàn)樗恼駝?dòng)方向與交變的磁拉力方向相同，我們必需要避開這個(gè)方向的共振，它的數(shù)值也遠(yuǎn)在100 Hz的10%范圍之外，所以不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某12MW余熱發(fā)電機(jī)機(jī)座的振動(dòng)問(wèn)題，首先建立了該發(fā)電機(jī)機(jī)座的理論模型與有限元模型，對(duì)該機(jī)座進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，該余熱發(fā)電機(jī)座的固有頻率遠(yuǎn)離兩倍工頻，不會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]傅志方.振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)識(shí)別[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[2]葉志明,何保福.DOME式大型汽輪發(fā)電機(jī)整機(jī)的強(qiáng)度與振動(dòng)特性—理論模型與有限元分析[J].機(jī)械強(qiáng)度,1997,19(1):1-4.

[3]張 峰.NX Nastran基礎(chǔ)分析指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[4]李 坤,鐘 崴,王寅華.基于GA的汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械.2010(2):16-19.