周衛(wèi)元

（1.浙江工業(yè)大學機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江電大蕭山學院，浙江 杭州 311201）

余熱發(fā)電機機座由多個零部件組裝而成，其固有頻率的計算非常困難，以前只能憑經(jīng)驗設計，制造完成以后再進行振動試驗，有的甚至是在安裝運行一段時間以后，才發(fā)現(xiàn)定子機座存在嚴重振動。

通過基于NX+Nastran有限元法分析，在設計時就能搞清楚機座結構在易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)特性，預測機座結構在某頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應。

本文對某12MW的余熱發(fā)電機機座進行有限元分析，驗證機座的振動是否在設計允許范圍之內(nèi)。

1 機座有限元模型的建立

1.1 機座幾何模型建立

根據(jù)余熱發(fā)電機機座的二維圖紙，使用UG NX 6建立機座的三維模型，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機機座實體模型圖

為了簡化計算，對發(fā)電機座實體模型進行簡化，略去了對于機座強度影響不大的通氣孔、承受載荷并不關鍵的安裝用吊環(huán)等功能件和非承載件；簡化了連接部位的過渡形式，使構建表面光滑；對孔、臺階、凹槽、翻邊等結構，在截面特性等效的基礎上盡量簡化；忽略對截面特性影響不大的特征。

1.2 定義材料屬性

在建立機座有限元模型時，所要定義的材料屬性有材料的彈性模量E、泊松比γ，材料密度ρ等。機座材料選用Q235，力學性能參數(shù)為：密度7.85×103kg／m3，彈性模量 2.06×1011Pa，泊松比 0.3，熱膨脹系數(shù)1.20×10-5℃，屈服強度2.35×108N／m2，抗拉強度4.2×108N／m2。

1.3 單元類型

對于發(fā)電機座，根據(jù)其幾何形狀特征和主要力學特性，采用3D和2D相結合的單元類型，對于機座支撐筋、下邊框、吊攀采用單元大小為30 mm的六面體實體單元進行網(wǎng)格劃分；對于機座底板采用單元大小為30 mm的四面體實體單元進行網(wǎng)格劃分；由于機座的其他結構采用鋼板焊接而成，故采用單元大小為30 mm的四邊形2D板殼單元進行網(wǎng)格劃分。

1.4 邊界條件

載荷邊界條件：發(fā)電機機座承受的載荷比較復雜，包括機座自重53 400 N、定子沖片重量151 000 N、定子沖片沿定子軸向的張力1 500 000 N、發(fā)電機意外短路扭矩390 000 kg.cm，以及轉子對定子的電磁力以及機座螺栓預緊力等。

約束邊界條件：發(fā)電機機座安裝在底座上，與支座撐板處接觸，底座用地腳螺栓固定。

發(fā)電機座有限元模型如圖2所示。

圖2 發(fā)電機機座的有限元模型

2 機座的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用來確定設計中的結構或機器部件的振動特性(固有頻率和振型)，在結構設計中，是分析結構承受動態(tài)載荷的重要參數(shù)，同時也可以進行更為詳細的動力學分析。

2.1 模態(tài)分析結果

發(fā)電機座8階振型如圖3、4、5、6所示。

圖3 發(fā)電機機座1、2階振型圖

圖4 發(fā)電機機座3、4階振型圖

圖5 發(fā)電機機座5、6階振型圖

圖6 發(fā)電機機座7、8階振型圖

發(fā)電機機座模態(tài)分析前八階頻率和部位見表1。

表1 發(fā)電機機座模態(tài)分析前八階頻率和部位

2.2 模態(tài)分析結論

根據(jù)分析發(fā)電機座前八階振型圖可知：

第1、2、7階是主鋼結構的軸向振動，由于在這個方向受定子沖片的制約，運行時不會出現(xiàn)這種情況；第3～6階為外殼的振動情況，范圍是129 Hz～131 Hz，與100 Hz(機組的2倍頻率)相比距離不大，第8階是我們最關心的情況，這是主鋼結構的橫向振動，因為它的振動方向與交變的磁拉力方向相同，我們必需要避開這個方向的共振，它的數(shù)值也遠在100 Hz的10%范圍之外，所以不會產(chǎn)生較大的振動。

3 結束語

針對某12MW余熱發(fā)電機機座的振動問題，首先建立了該發(fā)電機機座的理論模型與有限元模型，對該機座進行模態(tài)分析，分析結果表明，該余熱發(fā)電機座的固有頻率遠離兩倍工頻，不會產(chǎn)生較大振動，滿足設計要求。

[1]傅志方.振動模態(tài)分析與參數(shù)識別[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990.

[2]葉志明,何保福.DOME式大型汽輪發(fā)電機整機的強度與振動特性—理論模型與有限元分析[J].機械強度,1997,19(1):1-4.

[3]張 峰.NX Nastran基礎分析指南[M].北京:清華大學出版社,2005.

[4]李 坤,鐘 崴,王寅華.基于GA的汽輪發(fā)電機機座的結構優(yōu)化設計[J].現(xiàn)代機械.2010(2):16-19.