大型汽轮机发电机转子扭振试验

何启源　陈昌林　范洋铭

(东方电气集团东方电机有限公司　四川德阳　618000)



大型汽轮机发电机转子扭振试验

何启源陈昌林范洋铭

(东方电气集团东方电机有限公司四川德阳618000)

摘要：采用模态分析方法，通过电动激振器随机激励，用加速度传感器作响应传感器，研究大型汽轮发电机转子的扭转固有频率、阻尼和振型。试验证明，利用加速度传感器拾振的模态分析方法分析发电机转子扭振特性是可行的、可靠的。

关键词：汽轮发电机转子扭振试验研究

大型汽轮发电机组轴系扭振，是从20世纪70年代就引起国际电力界关注的课题，该问题之所以引起重视，是由于随着汽轮发电机组单机容量增大，转子材料利用系数有极大提高，截面功率密度相对增大，因而降低了机组轴系的扭转强度安全系数，影响机组安全可靠运行。转子的扭转振动大多是各种干扰引起的短暂过程，当然也有持续作用的干扰引起的持续性强迫振动，如汽轮发电机的次同步振动、由于三相负荷不平衡形成的负序电流引起的二倍电网频率的扭转振动等。扭转振动事故爆发后，其后果往往都是毁灭性的恶性事故，损失极为惨重。

随着振动工程不断发展及建模与计算方法的不断改进，近年来汽轮发电机组轴系扭振理论计算(包括轴系固有频率和机电扰动下的响应计算)已有很大进展[1]。但汽轮发电机组轴系的机械结构较为复杂，特别是汽轮发电机转子本体段截面复杂，转子上部件多，且为手工装配，建模时往往难以与实际结构完全等效，轴系的固有频率难以准确获得，而电力系统和控制系统扰动下扭振响应分析的计算精度更难以保证，须做转子扭转动力特性验证试验，对计算模型的边界条件进行修正，以确保产品的实际表现和设计具有高度的一致性。

国内的一些学者和专家对转子扭振测试方法做了一些研究，并在实验室进行了试验[2-5]，本文采用加速度传感器拾振，用经典的模态分析方法，拟对大型汽轮发电机转子进行扭振模态试验。

1基本原理

对单自由度转子扭振系统，抗扭刚度GIp，圆盘的转动惯量I，C为阻尼，M为振动台输出最大扭矩幅值,ω为激振频率。单自由度转子扭转振动与弹簧振子相似(转轴的抗扭刚度GIp提供回复力相当于弹簧弹性系数k，圆盘的转动惯量I相当于质量块m)，其扭转振动微分方程如下：

(1)

(2)

(3)

其中:

扭转振幅

(4)

相位角

(5)

式(3)中,第一部分为与激励力矩同形式的定常强迫运动，第二部分为初始状态引起的自由振动，第三部分为激励力矩引起的自由振动，自由振动会随时间的推移消逝，最后只剩下定常强迫振动。稳态时，方程(2)的解为

φ=Φcos(ωt-φ)

(6)

扭转角速度

(7)

扭转角加速度

(8)

由式(6)和式(8)可知，在转子同一半径处测得的加速度信号与位移信号的幅值之比等于激励频率的平方，用加速度测量转子扭振信号比用位移敏感得多，测量误差更小。

2试验方法

本试验将转子用静压轴承支撑，采用“单点激励多点拾振”方法，通过激振器在转子汽端法兰对转子施加切向激励，加速度传感器同时拾取转子各个测点径向和切向振动响应信号。由接口箱将激振力和振动响应信号进行调理后送入计算机，计算机采集该激振力与振动响应信号，通过模态分析软件对测试数据进行分析处理，获得模态参数：固有频率、阻尼比和模态振型。

测点布置：在转子9个截面的圆周上布置测点，每个圆周均布4个测点，一共36个测点。测点布置如图1所示，在测点1的位置，用激振器对转子进行切向随机激励，分别在各个测点拾取加速度响应信号。现场测试照片图略。

测试系统组成：模态分析软件、力传感器、加速度传感器、数据调理器、多通道同步数据采集器、振动控制器、功率放大器、激振器、电源系统、冷却系统，试验模型如图2所示。

图1　测点布置图

图2　试验模型

3试验结果

为了搞清楚大型汽轮发电机转子扭转动力特性及其行为方式，对某大型汽轮发电机转子无线棒和护环状态下进行了扭振模态分析，测试频响函数集总平均如图3所示，包括了扭转模态和弯曲模态。其中小圆点标示处为扭转模态对应的频率。

图3　频响函数集总平均

模态参数识别结果如表1所示。转子各阶扭转固有频率对应的振型以及和计算结果的对比如图4-图7所示。

表1　模态参数识别结果

图4　第一阶扭转振型计算及试验结果

图5　第二阶扭转振型计算及试验结果

图6　第三阶扭转振型计算及试验结果

图7　第四阶扭转振型计算及试验结果

从图4-图7可以看出，试验结果和计算结果的振型完全吻合，试验方法可行。

4结论

综上所述，本文提出用加速度传感器代替位移传感器或齿盘，用模态分析方法测试大型汽轮发电机转子的扭转模态的方法是可行的、可靠的。该方法与用位移传感器测试或齿盘测试转子扭转模态方法相比有如下优势：1)利用加速度信号的放大效应，响应信号对激励的灵敏度为传统位移信号灵敏度的ω2倍(ω为激励频率)，传递函数峰值更加突出，模态参数识别精度更高；2)没有信号的调制解调过程，减少了数据处理过程中的误差；3)让大型汽轮发电机转子这种难以激励的大型转子扭振模态试验变得可行。

参考文献

[1]刘英哲，傅行军. 汽轮发电机组扭振[M]. 北京：中国电力出版社，1997.

[2]杨卓君，聊明夫. 基于加速度传感器测量扭振方法的研究[J]. 噪声与振动控制，2008,10(5):163-167.

[3]魏江，廖明夫，杨伸记. 直接测量转子振动加速度的方法[J]. 机械设计与制造，2007，12(12)：149-151.

[4]王芝英，赵兴华. 汽轮机转子扭转等效刚度分析[J]. 机械强度，1990,12(3):1-6，21.

[5]何成兵，顾煜炯，杨昆. 汽轮发电机组扭振模型和算法综述[J]. 华北电力大学学报，2003,30(2):56-60.

Testing Research on Torsional Vibration of Turbo Generator

HE Qi-yuan, CHEN Chang-lin, FAN Yang-ming

(DongfangElectricMachineryCo.,Ltd,Deyang618000,Sichuan,China)

Abstract:This paper presented a new method to measure the torsional vibration of turbo generator, with an accelerator installed directly on the rotor, to obtain the natural frequencies, damping ratios and shapes. The comparisons of the computing results and testing results indicate that the method presented in this paper is available for the torsional measurement of turbo generator rotor.

Key words:Turbo generator; Rotor; Torsional vibration

中图分类号：TM311

文献标志码：A

文章编号：1671-8755(2015)04-0047-03

作者简介:何启源(1977—)，男，博士，工程师，研究方向为结构钢强度、结构动力特性、旋转机械故障诊断等。E-mail:heqiyuan@sina.com

收稿日期：2015-07-01