某型汽輪發電機組公共底座模態分析及試驗

岑黎明，郭大泉

（中船重工集團公司第704研究所，上海 200031）

某型汽輪發電機組公共底座模態分析及試驗

岑黎明，郭大泉

（中船重工集團公司第704研究所，上海 200031）

對某船用汽輪發電機組公共底座進行了模態仿真分析，并進行了模態測試。測試結果與仿真分析結果達到了吻合，說明公共底座有限元建模方法可行，有限元模型滿足工程精度要求，這為進一步分析整體汽輪發電機組動力特性奠定了基礎。

汽輪發電機組公共底座；模態分析；試驗

0 引言

某型汽輪發電機組為小功率機組，主要由汽輪機、發電機、公共底座及附屬設備組成[1-2]。汽輪機、發電機及附屬設備集成布置于公共底座上，公共底座通過隔振器彈性安裝在船體上[3-4]。由于船用條件的特殊性，公共底座不僅要滿足靜力學強度和變形的要求，而且安裝狀態下公共底座的模態對工作頻率要有一定的避開裕度，以防止公共底座局部振動放大。若發生局部耦合振動，不僅影響整個機組的振動，而且會通過安裝機腳影響到船體振動。

本文對某型汽輪發電機組公共底座進行動力學建模和模態計算，并通過模態測試對計算結果進行了驗證，為后續整體汽輪發電機組動力特性的分析奠定了基礎。

1 基本理論

模態分析又稱為結構的固有特性分析，用于確定結構的固有頻率和振型，其分析結果可作為瞬態動力學、諧響應分析和譜分析等其他動力分析的基礎。任何結構或部件都有固有頻率和相應的模態振型，這些屬于結構或部件自身的固有屬性。模態分析的實質是計算結構振動特征方程的特征值和特征向量。

典型的無阻尼結構自由振動的運動方程如下：

式中：[M]為質量矩陣；[K]為剛度矩陣；[X˙˙]為加速度向量；[X˙]為位移向量

如果令：

則有：

代入運動方程，可得：

上式為結構振動的特征方程，模態分析就是計算該特征方程的特征值ω和特征向量[ω]。

2 公共底座有限元分析

2.1 公共底座有限元模型建立

公共底座采用框架式結構，用不同厚度的鋼板焊接而成。因機組的特殊需求，底座后部需留有一個封閉的容積空間，為此底座后部上端用板焊接，下端采用法蘭蓋型式，用螺栓連接，以方便現場安裝維修，見圖1。

圖1 公共底座示圖

針對公共底座的這種結構特點，采用殼單元建立有限元模型是比較合適的。有限元模型做了適當的簡化，去掉了前后兩個耳朵狀的限位器安裝板。底座后部容積空間上下蓋采用綁定接觸固定。公共底座有限元模型如圖2。

圖2 公共底座有限元模型圖

利用通用有限元軟件分析底座的模態，約束狀態為自由，材料密度7850kg/m3，泊松比0.3，彈性模量2.07GPa。

2.2 計算結果分析

計算了自由狀態下公共底座前30階模態，結果見表1。

表 公共底座前30階模態

由于底座后部容積空間的上下蓋板比較薄，蓋板的局部模態較多（如圖3所示），真正有益的是底座的整體模態 見表1）。去除局部模態后，底座的前6階整體模態，如圖4所示。

圖3 公共底座上下蓋的局部模態

3 公共底座試驗分析

3.1 試驗邊界條件及測試儀器

對公共機座進行了模態測試，驗證有限元仿真結果的正確性。

為模擬自由邊界條件，公共底座采用4只KA-800橡膠隔振器支撐。支撐系統的最低階垂向剛體模態頻率為7.4Hz，而根據分析結果，公共底座一階結構模態頻率約為90Hz，支撐系統頻率遠遠小于公共底座一階固有頻率，支撐狀態能模擬自由—自由狀態。

圖4 不同彎曲振型下的整體模態圖

測試設備采用LMSSCM09多通道信號分析儀，加速度傳感器采用型號B&K4513B，激振器型號V406，力傳感器型號1051V5。

3.2 測點布置

公共底座模態試驗模型如圖5所示，圖中建立了與底座實際尺寸結構一致的完整模型，共計150個振動加速度響應測量點。試驗中，通過激振器對機架進行垂向激勵，獲取機架垂向(Z向)模態頻率、模態振型等相關模態信息。

圖5 公共底座模態試驗模型

公共底座模態試驗模型具體測點布置如圖6、7所 ，其中圖6為底座上層測點布置示意圖，圖7為底座下層測點布置示意圖。

圖6 公共底座試驗模型上層測點布置圖

圖7 公共底座試驗模型下層測點布置圖

3.3 測試結果

公共底座模態測試結果如表2所示，各階模態振型如圖8所示。

3.4 對比分析

將有限元仿真分析結果同測試結果進行比較，結果見表3。經分析知，底座模態第一階分析結果誤差0.3%；第二階分析結果誤差4.6%；第三階分析結果誤差4%；第四階分析結果誤差0.5%；第五階分析結果誤差1.2%。前五階的模態頻率和振型計算結果與測試結果吻合較好，第六階計算結果誤差較大。

究其原因，在公共底座模態測試時，傳感器布置在垂向一個方向，通過激振器進行垂向激勵，對于橫向的振動響應無法捕捉。而仿真計算結果顯示，公共底座的第六階模態正是橫向彎曲振動，因此，兩者出現較大的誤差。再者由于只仿真計算了前 30階的模態，第六階測試模態388.4Hz超出了計算結果范圍，仿真結果中無法顯示對應的模態結果。

表2 公共底座模態測試結果匯總

圖8 公共底座在不同階的測試模態

表3 仿真計算與測試模態結果對比

4 結語

綜上，測試結果和仿真分析結果能很好吻合，說明雖經簡化處理，公共底座的有限元模型能完全滿足工程分析要求，這為后續整體汽輪發電機組動力特性的分析奠定了基礎。

[1] 鄭兆昌. 機械振動[M]. 北京: 機械工業出版社, 1980.

[2] 蔣傳漪. 振動測試和分析[M]. 北京: 人民鐵道出版社, 1979.

[3] 尚曉江. ANSYS 結構有限元高級分析方法與范例應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005.

Modal Analysis and Test on Pedestal of Steam-Turbine Generator Set

CEN Li-ming, GUO Da-quan
(No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Modal analysis and modal test on a ship steam-turbine generator set are carried out. The results of simulation analysis and testing achieve a good agreement. It shows that the method of finite element modeling on the pedestal is feasible. The finite element model of pedestal has sufficient accuracy for engineering analysis. It lays the foundations for further overall analysis on the dynamic characteristics of steam-turbine generator set.

pedestal of steam-turbine generator set; modal analysis; test

TM62

A

岑黎明（1979-），男，工程師。研究方向：輔汽輪機設計。