關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)；定子端部繞組；模態(tài)分析；模態(tài)參數(shù)
Abstract：Based on actual examples and associated with practical applications, this article briefly introduces the necessity of model analysis for stator endwinding of large turbogenerators and the factors affecting model parameters.
Keywords：turbogenerator；stator endwinding；model analysis；model parameter
0引言
大型汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組端部的振動(dòng)主要由兩個(gè)因素引起：繞組電流與端部漏磁場(chǎng)的相互作用所產(chǎn)生的二倍頻振動(dòng)力；定子鐵芯的橢圓振動(dòng)。定子端部固定元件在電磁力作用下的振幅與電流的平方成正比，故在大容量汽輪發(fā)電機(jī)中，端部繞組將承受相當(dāng)大的激振力。發(fā)電機(jī)定子端部繞組漸開(kāi)線部分的不規(guī)則形狀決定它不可能象槽中線棒那樣牢靠固定，由于制造工藝等問(wèn)題，許多墊塊與線棒間只是點(diǎn)接觸，不能形成剛體結(jié)構(gòu)。如果繞組端部在兩倍工頻電磁力激勵(lì)下形成共振，端部綁扎結(jié)構(gòu)和線棒絕緣很容易遭到破壞。實(shí)踐表明，由于定子繞組端部振動(dòng)，引起相間短路、漏水、股線斷裂等事故發(fā)生頻繁，該類(lèi)事故具有突發(fā)性和難于簡(jiǎn)單修復(fù)的特點(diǎn)，損失往往極為嚴(yán)重。因此準(zhǔn)確測(cè)量定子繞組端部的振動(dòng)特性，預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性，及早采取防范措施尤為重要。
應(yīng)用模態(tài)分析手段，對(duì)發(fā)電機(jī)繞組端部整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性分析是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種行之有效的方法。對(duì)于模態(tài)振型為橢圓、振動(dòng)頻率在94～115 Hz范圍內(nèi)的端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要處理，可以有效防止共振，避免定子繞組絕緣磨損和端部綁扎結(jié)構(gòu)松垮。JB/T 89901999《大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部繞組模態(tài)試驗(yàn)分析和固有頻率測(cè)量方法及評(píng)定》、DL/T 7352000《大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量及評(píng)定》、國(guó)家電力公司《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》都對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)特性分析做出了具體要求。
1模態(tài)分析原理簡(jiǎn)述
模態(tài)分析是機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析的有效手段，它通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性建立結(jié)構(gòu)在已知激勵(lì)條件下的響應(yīng)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性。通常的做法就是通過(guò)試驗(yàn)方法得到機(jī)械結(jié)構(gòu)在沖擊h(t)下的響應(yīng)H(ω)，構(gòu)造出機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的頻響函數(shù)矩陣，然后通過(guò)曲線擬合手段識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)：模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼及模態(tài)振型。
根據(jù)頻響函數(shù)的定義有Hik=Fk/Xi，其物理意義為在k點(diǎn)作用單位力時(shí)，在i點(diǎn)所引起的頻率響應(yīng)。根據(jù)線性疊加原理可得如下形式的多自由度系統(tǒng)頻響關(guān)系式：
式中{X}——頻率響應(yīng)；
［H］——頻率響應(yīng)矩陣；
{F}——激振力。
根據(jù)振動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出：
式中｛φr｝——第r階模態(tài)的固有振型；
mr——第r階模態(tài)的質(zhì)量；
kr——第r階模態(tài)剛度；
cr——第r階模態(tài)阻尼。
由以上兩式可得頻響函數(shù)矩陣表達(dá)式：
頻響函數(shù)矩陣中的任一列為：
由以上簡(jiǎn)要分析可以看出，［H］中的任一行或任一列包含了所有的模態(tài)參數(shù)，而該行或該列的第r階模態(tài)的頻響函數(shù)值的比值即為第r階模態(tài)振型。因此，如果在結(jié)構(gòu)上的某一固定點(diǎn)i拾振，輪流激勵(lì)所有測(cè)試點(diǎn)，即可求得［H］中的一行，這一行頻響函數(shù)即可包含進(jìn)行模態(tài)分析所需要的全部信息。同樣，如果在結(jié)構(gòu)上的某一固定點(diǎn)k激振，在其他各點(diǎn)拾振，可求得［H］中的一列，這一列頻響函數(shù)也包含進(jìn)行模態(tài)分析所需要的全部信息?？梢?jiàn)為了取得全部模態(tài)信息，僅需測(cè)量頻響函數(shù)矩陣中的一行或一列就夠了，這就得到了獲取模態(tài)數(shù)據(jù)的2種方法：?jiǎn)吸c(diǎn)固定激振，在所有測(cè)量點(diǎn)（含激振點(diǎn)）依次測(cè)量響應(yīng)；固定一點(diǎn)測(cè)量響應(yīng)，而輪流對(duì)所有測(cè)點(diǎn)激振。
2模態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求
測(cè)量系統(tǒng)一般包括激勵(lì)設(shè)備、傳感系統(tǒng)、采集設(shè)備和模態(tài)分析軟件。傳感器采用加速度傳感器，要求有一定的頻響范圍（1～2 000 Hz）和靈敏度(100 mV/g左右)；激勵(lì)設(shè)備一般采用力錘，錘擊力相當(dāng)于一個(gè)半正弦形的力脈沖，該脈沖的頻帶寬度與脈沖持續(xù)時(shí)間有關(guān)，對(duì)0～200 Hz的頻率范圍，通常采用軟質(zhì)橡膠頂帽力錘，使沖擊持續(xù)時(shí)間約1.5 ms；采集設(shè)備要求至少有2個(gè)同步采集通道，采樣頻率在10 kHz以上，具有頻譜分析和相關(guān)計(jì)算等功能；模態(tài)分析軟件的功能是進(jìn)行模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的組合、頻響矩陣的構(gòu)造、曲線擬合和模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。
3模態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)的要求
在選定測(cè)點(diǎn)位置、數(shù)量及測(cè)量方向時(shí)應(yīng)考慮：
a. 能夠在機(jī)械結(jié)構(gòu)變形后明確顯示試驗(yàn)頻段內(nèi)所有模態(tài)的變形特征和模態(tài)間的變形區(qū)別。
b. 保證所關(guān)心的結(jié)構(gòu)點(diǎn)包含在所選測(cè)量點(diǎn)之中，測(cè)點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)少于定子槽數(shù)的一半。通常做法是，根據(jù)實(shí)際情況在汽勵(lì)兩側(cè)定子繞組端部錐體內(nèi)截面上取3個(gè)圓周，見(jiàn)圖1，在圓周上均勻選取發(fā)電機(jī)端部上層線棒做為測(cè)試點(diǎn)。根據(jù)測(cè)試實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇單點(diǎn)激振法還是多點(diǎn)激振法。
4模態(tài)分析結(jié)果的判定
通過(guò)定子繞組端部模態(tài)分析可以得到端部的固有振動(dòng)特性（固有頻率、阻尼、振型），要正確評(píng)判發(fā)電機(jī)的端部振動(dòng)特性還必須考慮繞組是否通水，通水溫度、絕緣老化及端部引線結(jié)構(gòu)等因素對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響。
a. 線棒溫度對(duì)端部模態(tài)的影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行中鐵芯、線棒的溫度高于環(huán)境溫度，并隨負(fù)荷的變化改變。線棒的絕緣、綁繩以及各種適型材料受熱后導(dǎo)致端部整體剛度降低，模態(tài)頻率呈下降趨勢(shì)，阻尼會(huì)有所上升。阻尼的上升會(huì)減小實(shí)際振動(dòng)的振幅，模態(tài)頻率下降一般在5～10 Hz左右。
b. 內(nèi)冷水對(duì)端部模態(tài)的影響繞組通入內(nèi)冷水，增加了端部結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量，也會(huì)造成模態(tài)頻率的下降，影響在1～3 Hz左右。
c. 絕緣老化對(duì)端部模態(tài)的影響 運(yùn)行多年的發(fā)電機(jī)線棒絕緣、綁繩、槽內(nèi)緊固件因振動(dòng)磨損、老化等原因，各部件之間的連接緊度會(huì)有所降低，機(jī)械強(qiáng)度、彈性也逐年下降，模態(tài)剛度和阻尼下降，因而端部模態(tài)頻率隨發(fā)電機(jī)的運(yùn)行年限呈下降趨勢(shì)，但振動(dòng)振幅有增大趨勢(shì)，在大修中檢查這些變化是很必要的。
d. 引線對(duì)端部模態(tài)的影響發(fā)電機(jī)定子繞組的6根引出線在勵(lì)側(cè)，汽側(cè)繞組在結(jié)構(gòu)上是軸對(duì)稱(chēng)的。勵(lì)側(cè)由于引線的存在，固定結(jié)構(gòu)比汽側(cè)復(fù)雜，過(guò)渡引線一般呈半圓形固定在絕緣支架的背部，它無(wú)形中起到加強(qiáng)整個(gè)端部固定支撐的作用。定子繞組端部振動(dòng)磨損嚴(yán)重或因磨損發(fā)生事故的多在汽側(cè)，這是由兩側(cè)的固有振動(dòng)特性決定的。
評(píng)估發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)特性，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)得到的模態(tài)頻率、振型以及阻尼，并綜合考慮以上各因素，預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)端部在實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)響應(yīng)。
5模態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例
圖2~圖4所示為某300 MW汽輪發(fā)電機(jī)汽側(cè)端部的3個(gè)模態(tài)振型，振型選在振幅值最大和最小處。圖2為93.2 Hz的橢圓振型，圖3為105 Hz的不規(guī)則多瓣振型，圖4為116 Hz的三瓣振型。由振型圖可知，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程要求的94～115 Hz范圍內(nèi)不存在橢圓形振動(dòng)，只有不規(guī)則多瓣振型在其范圍之內(nèi)。因此在橢圓形倍頻激振力的作用下，3 種振型的模態(tài)都不會(huì)在發(fā)電機(jī)端部形成大強(qiáng)度共振，對(duì)發(fā)電機(jī)端部不會(huì)造成嚴(yán)重破壞，發(fā)電機(jī)定子端部檢查也證明了這一結(jié)論，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絕緣磨損和綁繩松動(dòng)現(xiàn)象。
6發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)的預(yù)防措施
通過(guò)模態(tài)分析等手段獲得發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)特性后，必須根據(jù)測(cè)試結(jié)果采取相應(yīng)的措施。由于發(fā)電機(jī)定型后，其端部結(jié)構(gòu)基本固 定，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法輕易改變，并且內(nèi)部電氣和機(jī)械特性比較復(fù)雜，所以難以像簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)那樣采取改變模態(tài)頻率的方法進(jìn)行處理。通常對(duì)端部存在明顯絕緣磨損、綁繩或壓板松動(dòng)等情況的發(fā)電機(jī)應(yīng)引起高度重視，大修中必須對(duì)綁扎固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新綁扎加固處理，以提高振動(dòng)阻尼，降低振動(dòng)的振幅，減小振動(dòng)強(qiáng)度。
對(duì)于端部結(jié)構(gòu)確實(shí)存在100 Hz左右橢圓振型，雖進(jìn)行處理，但模態(tài)參數(shù)仍不見(jiàn)較大改變的情況，除在運(yùn)行中加強(qiáng)監(jiān)視外，建議安裝發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置，以便實(shí)現(xiàn)早期故障報(bào)警。目前在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置在國(guó)外大容量機(jī)組上應(yīng)用較多，例如GE、西屋、ABB、西門(mén)子等公司生產(chǎn)的600 MW及以上發(fā)電機(jī)，在國(guó)內(nèi)大容量水輪發(fā)電機(jī)上也有應(yīng)用，但在國(guó)產(chǎn)大容量汽輪發(fā)電機(jī)上鮮有應(yīng)用。建議各發(fā)電機(jī)制造和運(yùn)行單位對(duì)發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)引起足夠重視，采取措施避免嚴(yán)重相間和相對(duì)地短路事故的發(fā)生。
（轉(zhuǎn)載）
