大型汽輪發電機定子模態分析

張蓓　張潔

【摘 要】隨著發電機單機容量的日益增大，作為衡量發電機性能和運行的可靠性的一項重要指標，發電機定子繞組端部振動問題愈加重要，已經受到發電機生產廠家及相關單位的重視。本文在現場試驗測量的基礎上，結合力和振動的相關理論，利用發電機定子繞組端部特性測試系統對齊魯電機制造有限公司引進法國ALSTOM公司技術生產的220Mw空冷汽輪發電機定子繞組端部的模態進行測試和分析。

【關鍵詞】汽輪機 發電機 模態

隨著科學制造水平的進步與提高，對電網運行穩定性的需求也不斷提高。大型發電機的安全運行對整個電網的安全、穩定運行將起到越來越重要的作用。發電機單機容量逐漸增加，使汽輪發電機定子端部繞組需要承受的交流變電磁力逐漸的增大，也帶來了汽輪發電機定子端部繞端部振動導致各類問題。因此，我們不僅要追求大容量電機在大型汽輪制造應用，同時也要給予其電機定子繞組端部振動問題高度重視，以保證電網運行的穩定與安全。

1發電機通常采用的定子繞組端部結構

大型汽輪發電機定子繞組端部振動是設計、制造和運行中的關鍵問題。機組在穩態運行時，定子繞組端部除了要承受繞組中的作用力和定子鐵心承受的交變載荷，同時還要承受巨大的瞬態電磁力。而且隨著發電機的容量的不斷增加，受到的磁力隨之增大。抑制汽輪發電機定子繞組端部振動的方法就是加強繞組端部的固定。目前，隨著發電機冷卻方式以及制造廠家的不同，大型汽輪發電機定子繞組端部固定方法也有所不同，根據不同容量機組其固定方式基本可分為綁扎式、壓板式和灌注式。

1.1綁扎式固定結構

汽輪發電機端部大多采用綁扎式固定結構，在綁扎式結構中，一般使用環氧玻璃布層壓板和浸膠后，將上下層線棒通過綁環、墊塊、適形材料等固定在支架上進行綁扎，以保證在發電機繞組端部不發生軸向位移。綁扎式結構的優點是工藝簡單、可操作性強、散熱性好，足以承受200MW及以下汽輪發電機產生的電磁力。但綁扎式固定方式的缺點是強度不高。

1.2壓板式固定結構

壓板式固定結構的壓板支架的線棒通過滌玻繩互相扎緊，斜邊間隙塞緊固定和綁扎后，用壓板進行固定，以保證在發電機繞組端部部斜邊間隙不變，不發生軸向位移。壓板式固定結構的優點是增加了端部壓板，從而加強了對徑向力作用的承受強度。與綁扎式結構相比，壓板式固定結構兼顧了綁扎式固定結構的優點，在工藝上稍有些復雜，但仍屬一種比較簡單易行的方法。雖然壓板式固定結構提高了承受徑向力作用的強度，但與灌注式固定結構相比，電磁力承受強度依然偏低。

1.3灌注式固定結構

隨著汽輪發電機電壓等級的不斷升高，對繞組端部的固定強度要求也越來越大。因此產生了灌注式固定結構。灌注式固定結構在注膠前須將用環氧玻璃布層壓板和浸過膠的適形氈塞緊，并對內、外壓圈進行把合固定。這種固定結構的優點是注膠固化后成為一個整體，可以承受得住瞬間產生的極強的電磁力作用。灌注式固定結構最大的不足之處是散熱性不夠，而且固化后成為一個整體不便于維修。

2大型汽輪發電機模態試驗分析

2.1模態分析的概念

對發電機繞組端部整體結構進行振動特性的模態分析是近年來保證發電機組安全運行的有效方法之一。模態是機械結構的固有振動特性，包括固有頻率、阻尼比和模態振型。模態分析就是以振動理論為基礎，建立在已知激勵條件下的響應預測模型，獲得機械結構的模態參數并進行分析，進而預測實際工作狀態下的動力學特性。一般模態分析分為有限元分析法、基于輸入輸出模態試驗的試驗模態分析法和基于僅測量輸出的運行模態分析法三種類型。

2.2模態數據的要求

數據采集系統主要測量信號源的輸入信號，并對這些數據進行存儲處理。模態數據采集系統一般包括激勵設備、傳感系統、采集設備和模態分析軟件。對傳感系統的要求是頻響范圍在l-2000Hz之間，靈敏度范圍在100mv/g左右為宜；激勵設備通常采用力錘脈沖，對0～200Hz的頻率范圍，力錘脈沖持續時間約1.5ms；采集設備的頻率一般在10kHz以上，且至少有2個采集通道。在選擇模態數據測點位置、數量及測量方向時，要保證能夠顯示頻段內所有模態的變形特征和區別，且測點數量不應少于定子槽數的一半。

2.3模態分析的步驟

首先進行動態數據的采集。通常的做法是對結構物施加一定動態激勵，采集響應信號并獲取模態參數。數據采集要求大量的振動測量傳感器，保證至少同時采集兩個點的信號，因此試驗成本較高。根據所采集是數據，隨后建立結構模型作為計算及識別參數依據。根據識別方法不同，分為頻域建模和時域建模。按識別域的不同可分為頻域法、時域法和混合域法，相應的參數識別方法也不盡相同。參數識別之后會得到結構的模態參數模型，由于模態參數模型的結構較為復雜，因此必須將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。上述步驟完成之后，通用的模態分析軟件包進行擬合，可得到實時三維動畫顯示。

3 測試方法及結果

3.1測試對象

齊魯電機制造有限公司引進法國ALST伽公司（原瑞士ABB公司）技術生產的ZOOMW～300MW大容量空內冷汽輪發電機。

3.2測試方法

在對發電機端部定子繞組特性進行項目試驗時，采用3.4發電機定子繞組端部振動特性測試系統，采用一點激勵多點響應或者多點激勵一點響應的方式，一點激勵二一四次，取平均值，并重點分析固有頻率在94Hz～115Hz范圍內的模態。

4 結語

我國在模態分析工作起步較晚，但發展迅速，目前模態分析已滲透到我國各個工程領域，并取得了不少成就。汽輪發電機端部繞組結構復雜，只能在機組生產后實際測量。通過汽輪發電機端部繞組模態試驗，能及時檢測出設備早期隱患，保障機組安全穩定運行。

參考文獻：

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