利用试验模态分析技术研究汽机基础的自振特性

李文君，刘 波，屈铁军



利用试验模态分析技术研究汽机基础的自振特性

李文君1，刘 波2，屈铁军3

(1.湖北文理学院建筑工程学院，湖北襄阳 441053；2.襄阳市市政工程总公司，湖北襄阳 441000；3.北方工业大学建筑工程学院，北京100041)

利用模态分析理论，对某电厂660MW汽轮发电机组基础的1:10物理模型进行自振特性试验，测得该基础的结构动力特性参数(自振频率、振型、阻尼比). 结果表明：汽轮发电机机组各转子在升降速过程中与基础不会发生共振；冷凝器之间框架柱及柱下部横梁梁中多次出现较大局部振动，建议在此榀柱上下横梁间加短柱连接；在50Hz±5％频率范围内出现发电机下中间平台的局部摆动，建议对中间平台进行减振处理. 试验研究结果为今后基础进行动力修正和优化设计提供参考.

汽轮发电机基础；模态分析；动力特性

某电厂2×660MW汽轮发电机组是在消化和吸收Siemens百万等级基础上，设计的660MW等级超超临界机组，其基础的设计与Siemens 1000MW等级汽机基础相比，保留了Siemens汽机基础细柔柱特色，为设备和管导留下宽敞的布置空间，不同之处在于将以往直接由底板支撑、与柱相脱离的中间平台改进为与柱相联形式，以抑制柱子过大振动. 由于设计不同，根据《火力发电厂设计技术规程》DL5000-2000规定应对基础进行物模试验，对输入输出可测量的线性动力学系统，通过模态分析技术对其系统动力学特性参数进行研究. 因此，本文利用试验模态分析技术对1:10基础物理模型进行自振特性测试，分析基础的结构动力特性参数自振频率、振型、阻尼比对机组运行的动力影响[1].

1 试验模态分析技术

试验模态分析是通过测量输入到结构的力信号和输出的运动响应信号，从而得到传递函数，以确定结构模态参数的方法. 线性多自由度振动系统的传递函数为：

表示在点作用单位力在点所引起的响应. 其中为点处的响应，为结构点作用的激振力，、分别表示、两点第阶模态振型，和为阶模态刚度和模态阻尼，，为阶圆频率. 对自由度振动系统，为一矩阵，其任一行或任一列均包含了系统的全部模态参数信息.

图1基础模型实图

2 基础振动模型建立

2.1 模型制作

在试验室制作基础模型(如图1所示)，模型外形按设计方提供的图纸以几何尺寸相似比Cl=Lr/Lm＝10(下标r为原型，m为模型)进行设计[2]，材料采用与原型基础相同的钢筋混凝土，混凝土强度等级也与原型基础相同，为C40混凝土. 模型与原型的质量密度均为2.5t/m3，弹性模量为32 500MPa，配筋率与原型基础的配筋率相匹配[3].

2.2 测点布置

测点布置以能够反映基础振动特性原则(如图2). 由于扰力点(轴承座位置)是最重要的控制点，其振动大小直接影响设备的正常运转，所以要对其接近轴承座横梁中截面顶部进行重点布置与测试. 在发电机端，由于轴承通过设备支架连接基础结构纵梁，所以扰力点测点也相应布置到纵梁上[3]. 图中扰力点点号为131-136、121、122、127、128. 鉴于此基础采用柱子与中间平台直接相连这一新形式，所以对柱子及中间平台也要进行测点布置，整个基础模型共计151个测点.

图2测点布置

2.3 振动模型试验

模型养护期后，按厂家提供的汽轮发电机组设备质量的1/1000用铸铁在模型上进行模拟布置. 模态分析试验选用双点空间激振、多点响应采集的测量方法[4]. 为使激振能量分布均匀，在200号点加垂直向(Z向)激振器激振，在201号点施加XY平面内与XY轴分别成45°角[5]的激振器激振. 信号源采用无相关性的两个正弦扫频信号，在空间激振的情况采集力信号及垂直向、水平向的加速度响应信号，利用分析系统识别结构的动力特性参数(基础的固有频率、振型、阻尼比).

3 基础自振特性测试

3.1 自振频率与阻尼比

表1是基础各阶自振频率及相应阻尼比，表中数据已换算到原型. 由表可见，基础在70Hz以内(基础的强迫振动响应分析按《动力机器基础设计规范》的检验范围)共测试出72阶整体自振频率.

表1自振频率及阻尼比的测试结果

3.2 振型

基础振型第1阶 Y向平动，第2阶和第3阶 X向水平扭转，第11阶 Z向振动，另外还存在高、中压缸端顶板振动、扭动；高、中压缸端以及发电机下中间平台Z向振动和摇摆；第4、5榀(图2从左向右数)框架柱的X向、Y向振动、扭动，发电机下部柱子的弯曲，冷凝器之间框架柱下部的横梁梁中局部振动等振型.

4 自振特性综合评价

1) 表1显示在低频区7~20Hz，30~45Hz范围内基础的频率分布较密集. 汽轮发电机组的临界转速值见表2. 对比可知：基础的自振频率在45Hz以内(机组升降速过程中)与各转子的一阶临界转速、发电机转子的二阶临界转速[6]都很接近. 但是通过基础振型测试，其与各转子不会发生共振，因为在各转子临界转速附近，基础的振动主要是柱子振动，没有出现与相应转子位置一致的振型：与发电机转子一阶临界转速接近的基础第13阶(12.33Hz)振型为第4、5榀柱的扭转振动；与低压缸转子I一阶临界转速接近的基础第29阶(20.42Hz)振型、与低压缸转子II一阶临界转速接近的基础第30阶(21.76Hz)振型均为第4、5榀柱X向振动；与高、中压缸转子一阶临界转速接近的基础第41阶(33.95Hz)振型为发电机部分柱子下部弯曲振动.

表2汽轮发电机组临界转速值

注：括号数据为与临界转速所对应的频率(Hz)，便于与基础各阶自振频率进行比较.

2) 从振型上看，由于基础具有细柔柱特点，冷凝器之间框架柱(第4榀)及柱下部横梁梁中多次出现局部振动，可通过在柱顶部梁与下部梁中点之间增加短柱来提高此榀框架的刚度. 在50Hz(扰频3000转/分)±5％频率范围内，基础的第61阶(50.72Hz)和62阶(51.96Hz)振型均为发电机下中间平台的摆动. 因此建议采用弹簧隔振中间平台：将中间平台板改为由纵横钢梁支撑，与柱脱离，再通过弹簧隔振器与框架柱牛腿连接(详见《火力发电厂土建结构设计技术规定》)；中间平台与柱的连接由原来的刚性转变为柔性，阻断由柱传来的振动，从而达到减振的目的.

5 结语

本文采用试验模态分析技术对某电厂 660MW汽轮发电机组框架式基础进行自振特性测试. 结果表明汽轮发电机机组各转子在升降速过程中与基础不会出现共振现象. 冷凝器之间框架柱(第4榀)及柱下部横梁梁中多次出现较大局部振动，建议在134、152号测点增加短柱连接. 在50Hz(扰频3000转/分)±5％频率范围内出现发电机下中间平台的局部摆动，建议对中间平台进行减振处理. 试验所测数据为今后基础进行动力修正和优化设计提供参考.

[1] 李建忠, 崔育奎, 李建定, 等. 两缸两排汽空冷机组汽机基础动力特性研究[J]. 神华科技, 2011, 9(1): 67-71.

[2] 夏宏君, 张兰春, 张爱中. 600MW超临界汽轮发电机基础模型振动试验[C]//山东建筑学会建筑结构专业委员会、山东土木工程学会工程设计及电

算专业委员会 2006年学术交流会论文集. 山东: 山东土木工程学会, 2006.

[3] 邵晓岩, 屈铁军, 周建章. 运用LMS振动采集仪进行汽轮发电机基础振动试验研究[J/OL]. http://wenku.baidu.com/link?url=FpFl4fI8UXTUYsRJwA4EDwwPG1yRe8mIZwXUOB8Zy6F15tBQGaAcPwpJr5mnd_8s8t1qFl7wM55jFI_y3GPImspMRf61bkcmDz8SoOReQ7u.

[4] 安 栋, 孙 昕, 屈铁军, 等. 汽轮发电机组弹簧隔振基础模型试验模态分析[J]. 北方工业大学学报, 2012, 24(3): 84-88.

[5] 王宗纲, 孙 宁, 高象波, 等. 汽轮发电机框架式基础1:10模型动力分析[J]. 地震工程与工程振动, 2005, 25(1): 33-37.

[6] 范雷雷. 转子系统不平衡响应传递规律研究[D]. 南京: 东南大学, 2005.

Natural Vibration Characteristics of Turbo-generator Foundation via Modal Analysis

LI Wenjun1, LIU Bo2, QU Tiejun3

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. Xiangyang Municipal Engineering Corporation, Xiangyang 441000, China; 3. College of Architecture, North China University of Technology, Beijing 100041, China)

A natural vibration characteristics test on a physical model(scale is 1:10) of 660MW turbo-generator foundation of a power plant is made by using modal analysis. The structural dynamic characteristic parameters of this foundation, such as natural frequency, vibration mode and damping ratio, are obtained through the test. The results show that no resonance will happen between turbo-generator foundation and each rotor of turbo-generator unit during the run-up or run-down periods. It occurred many times local vibration during the frame column of the condensers and the midspan of the beam at the bottom column, this article makes suggestions that using a short column connects the upper and lower beams. Local vibration occurred on the middle platform of the generatior in 50Hz±5% frequency range, so it is suggested vibration reduction treatments on the middle platform. This research provides a reference for the dynamic modification and optimization design of the turbo-generator foundation in the future.

Turbo-generator foundation; Modal analysis; Dynamic performance

(责任编辑：饶 超)

TU476+.1

A

2095-4476(2015)02-0021-03

2014-09-22;

2014-10-29

国家自然科学基金面上项目(50678001); 湖北文理学院校级教学研究项目(JY2014044); 湖北文理学院2014年度创新性实验(实践)建设项目

李文君(1984— ), 女, 湖北襄阳人, 湖北文理学院建筑工程学院讲师.