基于弹簧隔振器汽轮机发电机减振性能分析和试验研究

俞林,范利辉,孙明昌

(隔而固(青岛)振动控制有限公司,山东青岛 266108)

0 引言

汽轮发电机组是电厂的核心,主要由汽轮机、发电机、励磁机等主机和一些辅助设备组成[1],是高速运转的动力设备,转子在高速转动时由于有动静摩擦、质量不平衡等原因会产生不平衡力进而引起电机主机和设备的振动,此振动会通过基础直接传递给混凝土框架结构上,进而引起整体厂房结构的振动,其振动的大小直接影响机组的运行安全和工作人员的健康,因此,汽轮发电机减振隔振成为急需解决的问题。

随着弹簧隔振技术逐渐成熟,已经普遍应用于多个行业,在国内外电厂大型电机组设备已经普遍应用,该技术成熟可靠,而弹簧隔振器的寿命大于汽轮发电机等主机寿命,后期免更换与维护,性能稳定,阻尼液适用温度-20℃～80℃,再有弹簧隔振器隔振效率很高,在设计基础时无需考虑动载荷,只要通过静力计算设计即可,大大降低了基础质量和成本。另外弹簧隔振器对消除基础不均匀沉降,对机组产生不利影响方面有明显的优势,减小了设计与维护成本。

本文针对某电厂汽轮发电机振动问题,建立模型、理论与仿真分析,对发电机弹簧隔振前后进行测试试验并做数据对比,得出通过安装弹簧隔振器对汽轮发电机进行有效隔振,基础振动减小88.2%,为后续大型电机组改进性能与整体优化迭代提供设计依据。

1 发电机隔振系统模态仿真分析

1.1 发电机隔振系统建模

应用Autodesk_Inventor三维软件对发电机和基础台板进行三维建模,发电机总高3000mm、总长3800mm、总宽3100mm,基础台板总长为8000mm,总宽度为4000mm,基础台板下放置10个弹簧隔振器,每个弹簧隔振器刚度为k=32×107N/m,发电机与基础台板、基础台板与隔振器上板接触形势为粘接,弹簧隔振器布置位置如图1所示。为了仿真计算方便,本模型忽略倒角等对整体受力影响不大的小特征[2]。

1.2 网格化分

模型使用高品质单元创建网格,网格平均元素大小为0.08(作为边框长度的分数),网格最小元素大小为0.04(作为平均大小的分数),网格数量2987759个,节点数量2140703个,分级系数1.5,网格最大扭曲度为60deg,具体如图2所示。

图2 弹簧隔振器有限元网格模型图

1.3 发电机隔振动系统模态分析

通过Autodesk_Inventor软件对发电机弹簧隔振动系统进行模态分析计算,并提取前8阶固有频率,具体如表1所示。因为大振幅振动主要来自1阶固有频率,所以本文只提取第1阶固有频率的模态振型云图如图3所示。

表1 发电机隔振系统8阶模态频率

图3 第1阶固有频率的模态振型云图

2 发电机隔振理论分析及设计

为了更好的分析汽轮发电机系统弹簧隔振效果,对汽轮发电机、基础台板和弹簧隔振器系统分析,可视为单自由度系统,建立理论模型[3],如图4所示。

图4 电机振动理论模型

由图4可知系统振动微分方程

(1)

(2)

ω0=2πf

(3)

ω=2πn/60

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,M—发电机和基础台板重量(弹簧隔振器上板重量远小于发电机和台板重量,此处忽略),M=67213kg;c—系统阻尼系数,c=1780000Ns/m;k—系统刚度(这里发电机与基础假设为刚体,系统刚度为弹簧隔振器整体刚度),k=3.2×108N/m,由公式计算得系统圆频率ω0为69 rad/s,f固有频率为11Hz,正常运转时发电机转速为n为3000转/min,因此,电机正常运转而产生的动载荷激励频率ω=314rad/s;λ—频率比;ξ—系统阻尼比;—弹簧隔振系数,由公式计算得λ=4.55,ξ=0.192, 弹簧隔振器隔振系数=0.102。

3 发电机隔振效果试验

为了验证发电机基础台板采用弹簧隔振器后的振动情况,对发电机基础台板进行振动测试试验[4、5],基础台板安装10组弹簧隔振器型号为GPVM-4-B1260弹簧阻尼隔振器,弹簧阻尼隔振器外观如图5所示。试验通过测试振动采集仪器INV3062T/24位智能信号分析仪连接9823型加速度传感器,传感器工作频率范围为0.5Hz～4000Hz,传感器粘接在基础台板上,测试仪器及设备连接如图6所示。采集后的数据用DASPV10工程版高级型分析软件分析。安装弹簧阻尼隔振器前检测点时域曲线,并滤掉60Hz以上频率,对时域曲线做傅里叶变换转化为频率曲线,如图7所示,这里需要说明的是因振动在高阶模态下振动幅值已经很小,本文只分析低频振动减振效果,由本文1节发电机隔振系统有限元模态分析仿真可知,第8阶固有频率为50.65Hz。

图5 弹簧阻尼隔振器外观图

图6 测试仪器及设备连接示意图

图7 隔振前发电机基础时域-频域曲线

由图7可知,时域曲线加速度最大峰值为1.669m/s2,频率曲线最大功率谱密度在11Hz左右,最大峰值为0.756 m/s2,最大峰值出现在发电机系统的第2阶固有频率附近,在50Hz电机激励频率附近也出现较大峰值。在基础台板下安装10组弹簧阻尼隔振器后,试验测试采集数据并分析得到隔振后发电机基础时域-频域曲线如图8所示。

图8 隔振后发电机基础时域-频域曲线

由图8可知时域曲线加速度最大峰值为0.194m/s2,频率曲线最大功率谱密度在11Hz左右,最大峰值为0.0885 m/s2,比安装弹簧隔振器前降低了88.2%,与前文理论计算值基本吻合,隔振效果明显,有效改善了汽轮发电机及基础台板的振动现象,为后续电厂发电机组减振隔振项目提供支持。

4 结语

本文针对电厂汽轮发电机振动情况,对发电机系统采用弹簧隔振器进行分析,并建立有限元模型,对发电机弹簧隔振系统进行模态分析,得到前8阶模态,又对发电机弹簧隔振系统建立数学模型,对整体系统进行理论计算,结出理论隔振效率可达到90%。最后对发电机系统安装弹簧隔振器前后振动情况做试验对比,得出功率谱密度峰值从原来的0.756 m/s2下降到0.0885 m/s2,时域曲线峰值由1.669m/s2下降到0.194m/s2,比安装弹簧隔振器前降低了88.2%,隔振效果明显,为后续电厂发电机组减振隔振项目提供支持。