基于自适应弹簧阻尼器的变频凝泵低频共振治理方法研究

2023-03-23周瑜李敬豪

科技风 2023年7期

周瑜李敬豪

1.大唐南京发电厂江苏南京 210023；2.中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院安徽合肥 230088

火电机组作为调峰机组承担越来越重的调峰任务，在网运行机组按照电网调度命令超常规调峰，负荷低于50%的调峰频次和时间不断加长，30%～35%的深度调峰也逐渐成为低峰时段的运行新常态，使得凝泵变频运行的转速不断下探，导致凝泵低频运行工况下的振动问题日益突出[1-2]。由于凝泵泵体轴系较长，凝泵等立式水泵电机上部所反映的振动一般仅为泵轴底部叶轮、口环等处振动的1/5～1/4。因此，当我们测量凝泵电机上部振动超标时，其泵轴下部振动将呈倍数关系的放大，振动超标的情况下长期运行将导致轴承、叶轮等部分偏磨等故障，严重时可能造成泵轴弯曲、机组跳闸等恶性事故[3-5]。

1 共振响应机理

1.1 降振原理

降振就是在振源和设备或其他物体之间用弹性或阻尼装置连接，使振源产生的大部分能量由降振装置吸收，以减小振源对设备的干扰。降振可分为两类：一类为主动降振，另一类为被动降振。

主动降振系数η=降振后传到地基的力的幅值/降振前传到地基的力的幅值

被动降振系数η=降振后被降振物体的位移幅值/底座的位移幅值

通过单自由度的稳态响应特性，可以得到降振系数(以主动降振系数为例)：

计算F1的模的幅值F1m，可以得到：

(1)

(2)

通过推导可知，当振源为简谐激励时，被动降振系数和主动降振系数表达式相同。

1.2 降振器设计原则分析

在matlab中将式(21)进行迭代求解，阻尼比ζ分别取0.05、0.1、0.25、0.375、0.5、1.0，从而得到降振系数随阻尼比ζ和频率比s的变化曲线，如图1所示。

图1 降振系数的变化规律

对立式凝泵的顶部电机而言，对于因不平衡和共振引发的振动超标问题，均属于受迫振动范畴，即响应频率由激振力频率决定，因此，可通过振动问题最突出时对应的转速从而得到激振力频率，进一步可以得到降振器的设计固有频率范围[9]。

2 凝泵壳体有限元数值模拟

2.1 凝泵壳体模型建立

根据图纸相关尺寸，用PROE建立凝结水泵的三维模型，在尽量真实模拟凝结水泵的刚度、质量分布的前提下，在建模和有限元分析计算过程中，对其内部的一些结构、连接进行了一些简化。根据凝结水泵实际结构尺寸建立三维模型，上半部分为电机壳体结构，下半部为凝结水泵壳体，两者通过螺栓连接，螺栓连接处为电机转子与凝泵转子联轴器部分。对于一个复杂结构，在不影响计算精度的前提下，做一些适当的简化是必要的。一则可以减少许多烦琐的工作，大大减少工作量，再则可以缩短设计周期，为进一步改善设计创造条件。在不影响计算结果的情况下先将壳体的部分结构拐点以及螺栓连接部位进行简化和假定，主要的简化和假定有：

(1)泵体采用螺栓连接的地方视为刚性连接。

(2)基础板与地基连接螺栓处的节点进行全约束，入水口、出水口在法兰连接处的节点进行全约束。

(3)考虑到电机、泵体内部结构复杂，将其在重心处分别视为集中质量，电机和泵体采用刚性连接。

简化后的模型如图2所示。

图2 凝结水泵壳体模型

2.2 凝结水泵壳体模态分析

凝泵低频振动主要由于结构共振导致，首先对壳体进行模态分析，将壳体单元选为上述的SHELL63单元模型，材料为钢材，弹性模量为2*1011PA，材料密度为7800kg/m3，泊松比为0.3。确定壳体前2阶固有频率以及共振高点位置。如图3和图4所示。

图3 凝结水泵壳体前2阶模态振型

图4 凝结水泵壳体前2阶模态振型

表1 壳体前六阶固有频率

2.3 弹簧阻尼振动分析

现对电机壳体四周分别加入自适应弹簧阻尼单元如图5所示。本次使用的弹簧单元为COMBIN14弹簧单元，该单元具有1维、2维或3维应用中的轴向或扭转的性能。轴向的弹簧-阻尼器选项是1维的拉伸或压缩单元，每个节点具有三个自由度：X、Y、Z的移动。加入质量M=40kg，刚度K=651770N/M，阻尼C=400N*S/M弹簧阻尼系统后对凝泵壳体进行瞬态分析。依次选择相同节点，节点位移响应如图6至图9所示。

图5 施加弹簧阻尼器

图6 未加弹簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM节点偏移

图7 未加弹簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM应力值

图8 加入弹簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM节点偏移

图9 加入弹簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM应力值

可以看出，在未加入弹簧阻尼系统，距离底座500MM的节点偏移量以及单元应力值最低，从低到高依次增大，2000MM的节点偏移量、单元应力值最高。加入弹簧阻尼单元后起到了明显抑制效果，X向的振动响应最大值由0.82×10-3M降至0.2×10-4M，峰值降幅达75.6%。节点的偏移和应力值会有衰减趋势，应力幅值从860N降低到140N。结果表明，加入自适应弹簧阻尼系统起到了明显的振动抑制作用。

阻尼系数作为自适应弹簧系统的自变量，在对弹簧系统的阻尼选取对振动影响尤为重要，选定1000MM位置作为基准位置，现选取100N*S/M至550N*S/M阻尼系数，间隔为50N*S/M，取不同的阻尼系数观察阻尼对凝泵壳体应力和节点偏移量的影响。

图10 阻尼—应力关系曲线图

图11 阻尼—节点偏移关系曲线图

由图10和图11可以看出，阻尼的改变对凝结水泵振动响应有明显的影响，阻尼越大对振动的抑制作用越明显，阻尼的影响效果随阻尼的增大而减小，当阻尼系数增大到一定数值时，阻尼对振动影响基本为零。

3 现场测试

针对某发电厂1000MW机组凝结水泵，进行无支撑、强支撑和自适应弹簧支撑方式下的振动测试，包含各支撑条件下的凝泵全转速过程中振动数据采集，从而进行凝结水泵各种支撑条件下的振动响应对比，评价自适应弹簧系统对立式旋转机械的降振效果。

对比B凝泵在无水平支撑、刚性支撑、弹簧阻尼支撑条件下的振动情况分析，支撑条件改变后，凝泵临界转速区间及共振峰值均发生了明显变化。

表2 不同支撑条件下凝泵振动情况

从表2可以看出，在无支撑条件下，凝泵共振转速约为1060RPM振动幅值达到了180μM；在刚性支撑条件下凝泵共振转速得到明显提升到1100RPM，振动峰值降低约70μM；在弹性支撑条件下，凝泵共振转速进一步得到提升，达到1271RPM，处于机组常用变频区间之外，且振动峰值降至约40μM，满足凝泵变频调节要求。

通过试验比较，自适应弹簧阻尼支撑系统对降低立式凝泵电机上部振动具有良好的效果，其主要原因体现在三个方面：

(1)相对于无支撑条件，弹簧阻尼支撑可有效提高凝泵电机上部各方向上的支撑刚度，在相同的转子系统激振力下，产生更小的振动幅值响应。

(2)相对于刚性支撑条件，弹性阻尼支撑可通过弹簧形变量的大小量化支撑预紧力，从而有效避免刚性支撑预紧力偏差导致的电机轴承、转子中心的偏差，避免因中心偏移造成的不平衡激振力，同时可以有效避免泵与电机轴承的偏磨。

(3)基于弹簧阻尼支撑系统的立式凝泵系统，其支撑刚度随位移条件发生改变时自适应发生改变，从而使凝泵共振转速较无支撑条件得到明显提升，在加强预紧力的条件下，有可能使共振转速超过凝泵实际运行变频区间。