基于彈簧隔振器汽輪機發(fā)電機減振性能分析和試驗研究

俞林,范利輝,孫明昌

(隔而固(青島)振動控制有限公司,山東青島 266108)

0 引言

汽輪發(fā)電機組是電廠的核心,主要由汽輪機、發(fā)電機、勵磁機等主機和一些輔助設備組成[1],是高速運轉(zhuǎn)的動力設備,轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動時由于有動靜摩擦、質(zhì)量不平衡等原因會產(chǎn)生不平衡力進而引起電機主機和設備的振動,此振動會通過基礎直接傳遞給混凝土框架結(jié)構(gòu)上,進而引起整體廠房結(jié)構(gòu)的振動,其振動的大小直接影響機組的運行安全和工作人員的健康,因此,汽輪發(fā)電機減振隔振成為急需解決的問題。

隨著彈簧隔振技術逐漸成熟,已經(jīng)普遍應用于多個行業(yè),在國內(nèi)外電廠大型電機組設備已經(jīng)普遍應用,該技術成熟可靠,而彈簧隔振器的壽命大于汽輪發(fā)電機等主機壽命,后期免更換與維護,性能穩(wěn)定,阻尼液適用溫度-20℃～80℃,再有彈簧隔振器隔振效率很高,在設計基礎時無需考慮動載荷,只要通過靜力計算設計即可,大大降低了基礎質(zhì)量和成本。另外彈簧隔振器對消除基礎不均勻沉降,對機組產(chǎn)生不利影響方面有明顯的優(yōu)勢,減小了設計與維護成本。

本文針對某電廠汽輪發(fā)電機振動問題,建立模型、理論與仿真分析,對發(fā)電機彈簧隔振前后進行測試試驗并做數(shù)據(jù)對比,得出通過安裝彈簧隔振器對汽輪發(fā)電機進行有效隔振,基礎振動減小88.2%,為后續(xù)大型電機組改進性能與整體優(yōu)化迭代提供設計依據(jù)。

1 發(fā)電機隔振系統(tǒng)模態(tài)仿真分析

1.1 發(fā)電機隔振系統(tǒng)建模

應用Autodesk_Inventor三維軟件對發(fā)電機和基礎臺板進行三維建模,發(fā)電機總高3000mm、總長3800mm、總寬3100mm,基礎臺板總長為8000mm,總寬度為4000mm,基礎臺板下放置10個彈簧隔振器,每個彈簧隔振器剛度為k=32×107N/m,發(fā)電機與基礎臺板、基礎臺板與隔振器上板接觸形勢為粘接,彈簧隔振器布置位置如圖1所示。為了仿真計算方便,本模型忽略倒角等對整體受力影響不大的小特征[2]。

1.2 網(wǎng)格化分

模型使用高品質(zhì)單元創(chuàng)建網(wǎng)格,網(wǎng)格平均元素大小為0.08(作為邊框長度的分數(shù)),網(wǎng)格最小元素大小為0.04(作為平均大小的分數(shù)),網(wǎng)格數(shù)量2987759個,節(jié)點數(shù)量2140703個,分級系數(shù)1.5,網(wǎng)格最大扭曲度為60deg,具體如圖2所示。

圖2 彈簧隔振器有限元網(wǎng)格模型圖

1.3 發(fā)電機隔振動系統(tǒng)模態(tài)分析

通過Autodesk_Inventor軟件對發(fā)電機彈簧隔振動系統(tǒng)進行模態(tài)分析計算,并提取前8階固有頻率,具體如表1所示。因為大振幅振動主要來自1階固有頻率,所以本文只提取第1階固有頻率的模態(tài)振型云圖如圖3所示。

表1 發(fā)電機隔振系統(tǒng)8階模態(tài)頻率

圖3 第1階固有頻率的模態(tài)振型云圖

2 發(fā)電機隔振理論分析及設計

為了更好的分析汽輪發(fā)電機系統(tǒng)彈簧隔振效果,對汽輪發(fā)電機、基礎臺板和彈簧隔振器系統(tǒng)分析,可視為單自由度系統(tǒng),建立理論模型[3],如圖4所示。

圖4 電機振動理論模型

由圖4可知系統(tǒng)振動微分方程

(1)

(2)

ω0=2πf

(3)

ω=2πn/60

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,M—發(fā)電機和基礎臺板重量(彈簧隔振器上板重量遠小于發(fā)電機和臺板重量,此處忽略),M=67213kg;c—系統(tǒng)阻尼系數(shù),c=1780000Ns/m;k—系統(tǒng)剛度(這里發(fā)電機與基礎假設為剛體,系統(tǒng)剛度為彈簧隔振器整體剛度),k=3.2×108N/m,由公式計算得系統(tǒng)圓頻率ω0為69 rad/s,f固有頻率為11Hz,正常運轉(zhuǎn)時發(fā)電機轉(zhuǎn)速為n為3000轉(zhuǎn)/min,因此,電機正常運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動載荷激勵頻率ω=314rad/s;λ—頻率比;ξ—系統(tǒng)阻尼比;—彈簧隔振系數(shù),由公式計算得λ=4.55,ξ=0.192, 彈簧隔振器隔振系數(shù)=0.102。

3 發(fā)電機隔振效果試驗

為了驗證發(fā)電機基礎臺板采用彈簧隔振器后的振動情況,對發(fā)電機基礎臺板進行振動測試試驗[4、5],基礎臺板安裝10組彈簧隔振器型號為GPVM-4-B1260彈簧阻尼隔振器,彈簧阻尼隔振器外觀如圖5所示。試驗通過測試振動采集儀器INV3062T/24位智能信號分析儀連接9823型加速度傳感器,傳感器工作頻率范圍為0.5Hz～4000Hz,傳感器粘接在基礎臺板上,測試儀器及設備連接如圖6所示。采集后的數(shù)據(jù)用DASPV10工程版高級型分析軟件分析。安裝彈簧阻尼隔振器前檢測點時域曲線,并濾掉60Hz以上頻率,對時域曲線做傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻率曲線,如圖7所示,這里需要說明的是因振動在高階模態(tài)下振動幅值已經(jīng)很小,本文只分析低頻振動減振效果,由本文1節(jié)發(fā)電機隔振系統(tǒng)有限元模態(tài)分析仿真可知,第8階固有頻率為50.65Hz。

圖5 彈簧阻尼隔振器外觀圖

圖6 測試儀器及設備連接示意圖

圖7 隔振前發(fā)電機基礎時域-頻域曲線

由圖7可知,時域曲線加速度最大峰值為1.669m/s2,頻率曲線最大功率譜密度在11Hz左右,最大峰值為0.756 m/s2,最大峰值出現(xiàn)在發(fā)電機系統(tǒng)的第2階固有頻率附近,在50Hz電機激勵頻率附近也出現(xiàn)較大峰值。在基礎臺板下安裝10組彈簧阻尼隔振器后,試驗測試采集數(shù)據(jù)并分析得到隔振后發(fā)電機基礎時域-頻域曲線如圖8所示。

圖8 隔振后發(fā)電機基礎時域-頻域曲線

由圖8可知時域曲線加速度最大峰值為0.194m/s2,頻率曲線最大功率譜密度在11Hz左右,最大峰值為0.0885 m/s2,比安裝彈簧隔振器前降低了88.2%,與前文理論計算值基本吻合,隔振效果明顯,有效改善了汽輪發(fā)電機及基礎臺板的振動現(xiàn)象,為后續(xù)電廠發(fā)電機組減振隔振項目提供支持。

4 結(jié)語

本文針對電廠汽輪發(fā)電機振動情況,對發(fā)電機系統(tǒng)采用彈簧隔振器進行分析,并建立有限元模型,對發(fā)電機彈簧隔振系統(tǒng)進行模態(tài)分析,得到前8階模態(tài),又對發(fā)電機彈簧隔振系統(tǒng)建立數(shù)學模型,對整體系統(tǒng)進行理論計算,結(jié)出理論隔振效率可達到90%。最后對發(fā)電機系統(tǒng)安裝彈簧隔振器前后振動情況做試驗對比,得出功率譜密度峰值從原來的0.756 m/s2下降到0.0885 m/s2,時域曲線峰值由1.669m/s2下降到0.194m/s2,比安裝彈簧隔振器前降低了88.2%,隔振效果明顯,為后續(xù)電廠發(fā)電機組減振隔振項目提供支持。