俞林,范利輝,孫明昌

(隔而固(青島)振動(dòng)控制有限公司,山東青島 266108)

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組是電廠的核心,主要由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)等主機(jī)和一些輔助設(shè)備組成[1],是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力設(shè)備,轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于有動(dòng)靜摩擦、質(zhì)量不平衡等原因會(huì)產(chǎn)生不平衡力進(jìn)而引起電機(jī)主機(jī)和設(shè)備的振動(dòng),此振動(dòng)會(huì)通過基礎(chǔ)直接傳遞給混凝土框架結(jié)構(gòu)上,進(jìn)而引起整體廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng),其振動(dòng)的大小直接影響機(jī)組的運(yùn)行安全和工作人員的健康,因此,汽輪發(fā)電機(jī)減振隔振成為急需解決的問題。

隨著彈簧隔振技術(shù)逐漸成熟,已經(jīng)普遍應(yīng)用于多個(gè)行業(yè),在國(guó)內(nèi)外電廠大型電機(jī)組設(shè)備已經(jīng)普遍應(yīng)用,該技術(shù)成熟可靠,而彈簧隔振器的壽命大于汽輪發(fā)電機(jī)等主機(jī)壽命,后期免更換與維護(hù),性能穩(wěn)定,阻尼液適用溫度-20℃～80℃,再有彈簧隔振器隔振效率很高,在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)無需考慮動(dòng)載荷,只要通過靜力計(jì)算設(shè)計(jì)即可,大大降低了基礎(chǔ)質(zhì)量和成本。另外彈簧隔振器對(duì)消除基礎(chǔ)不均勻沉降,對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不利影響方面有明顯的優(yōu)勢(shì),減小了設(shè)計(jì)與維護(hù)成本。

本文針對(duì)某電廠汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)問題,建立模型、理論與仿真分析,對(duì)發(fā)電機(jī)彈簧隔振前后進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)并做數(shù)據(jù)對(duì)比,得出通過安裝彈簧隔振器對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行有效隔振,基礎(chǔ)振動(dòng)減小88.2%,為后續(xù)大型電機(jī)組改進(jìn)性能與整體優(yōu)化迭代提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 發(fā)電機(jī)隔振系統(tǒng)模態(tài)仿真分析

1.1 發(fā)電機(jī)隔振系統(tǒng)建模

應(yīng)用Autodesk_Inventor三維軟件對(duì)發(fā)電機(jī)和基礎(chǔ)臺(tái)板進(jìn)行三維建模,發(fā)電機(jī)總高3000mm、總長(zhǎng)3800mm、總寬3100mm,基礎(chǔ)臺(tái)板總長(zhǎng)為8000mm,總寬度為4000mm,基礎(chǔ)臺(tái)板下放置10個(gè)彈簧隔振器,每個(gè)彈簧隔振器剛度為k=32×107N/m,發(fā)電機(jī)與基礎(chǔ)臺(tái)板、基礎(chǔ)臺(tái)板與隔振器上板接觸形勢(shì)為粘接,彈簧隔振器布置位置如圖1所示。為了仿真計(jì)算方便,本模型忽略倒角等對(duì)整體受力影響不大的小特征[2]。

1.2 網(wǎng)格化分

模型使用高品質(zhì)單元?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)格,網(wǎng)格平均元素大小為0.08(作為邊框長(zhǎng)度的分?jǐn)?shù)),網(wǎng)格最小元素大小為0.04(作為平均大小的分?jǐn)?shù)),網(wǎng)格數(shù)量2987759個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)量2140703個(gè),分級(jí)系數(shù)1.5,網(wǎng)格最大扭曲度為60deg,具體如圖2所示。

圖2 彈簧隔振器有限元網(wǎng)格模型圖

1.3 發(fā)電機(jī)隔振動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)分析

通過Autodesk_Inventor軟件對(duì)發(fā)電機(jī)彈簧隔振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算,并提取前8階固有頻率,具體如表1所示。因?yàn)榇笳穹駝?dòng)主要來自1階固有頻率,所以本文只提取第1階固有頻率的模態(tài)振型云圖如圖3所示。

表1 發(fā)電機(jī)隔振系統(tǒng)8階模態(tài)頻率

圖3 第1階固有頻率的模態(tài)振型云圖

2 發(fā)電機(jī)隔振理論分析及設(shè)計(jì)

為了更好的分析汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)彈簧隔振效果,對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)、基礎(chǔ)臺(tái)板和彈簧隔振器系統(tǒng)分析,可視為單自由度系統(tǒng),建立理論模型[3],如圖4所示。

圖4 電機(jī)振動(dòng)理論模型

由圖4可知系統(tǒng)振動(dòng)微分方程

(1)

(2)

ω0=2πf

(3)

ω=2πn/60

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,M—發(fā)電機(jī)和基礎(chǔ)臺(tái)板重量(彈簧隔振器上板重量遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)和臺(tái)板重量,此處忽略),M=67213kg;c—系統(tǒng)阻尼系數(shù),c=1780000Ns/m;k—系統(tǒng)剛度(這里發(fā)電機(jī)與基礎(chǔ)假設(shè)為剛體,系統(tǒng)剛度為彈簧隔振器整體剛度),k=3.2×108N/m,由公式計(jì)算得系統(tǒng)圓頻率ω0為69 rad/s,f固有頻率為11Hz,正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n為3000轉(zhuǎn)/min,因此,電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動(dòng)載荷激勵(lì)頻率ω=314rad/s;λ—頻率比;ξ—系統(tǒng)阻尼比;—彈簧隔振系數(shù),由公式計(jì)算得λ=4.55,ξ=0.192, 彈簧隔振器隔振系數(shù)=0.102。

3 發(fā)電機(jī)隔振效果試驗(yàn)

為了驗(yàn)證發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)板采用彈簧隔振器后的振動(dòng)情況,對(duì)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)板進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)[4、5],基礎(chǔ)臺(tái)板安裝10組彈簧隔振器型號(hào)為GPVM-4-B1260彈簧阻尼隔振器,彈簧阻尼隔振器外觀如圖5所示。試驗(yàn)通過測(cè)試振動(dòng)采集儀器INV3062T/24位智能信號(hào)分析儀連接9823型加速度傳感器,傳感器工作頻率范圍為0.5Hz～4000Hz,傳感器粘接在基礎(chǔ)臺(tái)板上,測(cè)試儀器及設(shè)備連接如圖6所示。采集后的數(shù)據(jù)用DASPV10工程版高級(jí)型分析軟件分析。安裝彈簧阻尼隔振器前檢測(cè)點(diǎn)時(shí)域曲線,并濾掉60Hz以上頻率,對(duì)時(shí)域曲線做傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻率曲線,如圖7所示,這里需要說明的是因振動(dòng)在高階模態(tài)下振動(dòng)幅值已經(jīng)很小,本文只分析低頻振動(dòng)減振效果,由本文1節(jié)發(fā)電機(jī)隔振系統(tǒng)有限元模態(tài)分析仿真可知,第8階固有頻率為50.65Hz。

圖5 彈簧阻尼隔振器外觀圖

圖6 測(cè)試儀器及設(shè)備連接示意圖

圖7 隔振前發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)時(shí)域-頻域曲線

由圖7可知,時(shí)域曲線加速度最大峰值為1.669m/s2,頻率曲線最大功率譜密度在11Hz左右,最大峰值為0.756 m/s2,最大峰值出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第2階固有頻率附近,在50Hz電機(jī)激勵(lì)頻率附近也出現(xiàn)較大峰值。在基礎(chǔ)臺(tái)板下安裝10組彈簧阻尼隔振器后,試驗(yàn)測(cè)試采集數(shù)據(jù)并分析得到隔振后發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)時(shí)域-頻域曲線如圖8所示。

圖8 隔振后發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)時(shí)域-頻域曲線

由圖8可知時(shí)域曲線加速度最大峰值為0.194m/s2,頻率曲線最大功率譜密度在11Hz左右,最大峰值為0.0885 m/s2,比安裝彈簧隔振器前降低了88.2%,與前文理論計(jì)算值基本吻合,隔振效果明顯,有效改善了汽輪發(fā)電機(jī)及基礎(chǔ)臺(tái)板的振動(dòng)現(xiàn)象,為后續(xù)電廠發(fā)電機(jī)組減振隔振項(xiàng)目提供支持。

4 結(jié)語

本文針對(duì)電廠汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)情況,對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用彈簧隔振器進(jìn)行分析,并建立有限元模型,對(duì)發(fā)電機(jī)彈簧隔振系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析,得到前8階模態(tài),又對(duì)發(fā)電機(jī)彈簧隔振系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算,結(jié)出理論隔振效率可達(dá)到90%。最后對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)安裝彈簧隔振器前后振動(dòng)情況做試驗(yàn)對(duì)比,得出功率譜密度峰值從原來的0.756 m/s2下降到0.0885 m/s2,時(shí)域曲線峰值由1.669m/s2下降到0.194m/s2,比安裝彈簧隔振器前降低了88.2%,隔振效果明顯,為后續(xù)電廠發(fā)電機(jī)組減振隔振項(xiàng)目提供支持。