大型汽轮发电机定子模态分析

【摘 要】随着发电机单机容量的日益增大，作为衡量发电机性能和运行的可靠性的一项重要指标，发电机定子绕组端部振动问题愈加重要，已经受到发电机生产厂家及相关单位的重视。本文在现场试验测量的基础上，结合力和振动的相关理论，利用发电机定子绕组端部特性测试系统对齐鲁电机制造有限公司引进法国ALSTOM公司技术生产的220Mw空冷汽轮发电机定子绕组端部的模态进行测试和分析。

【关键词】汽轮机 发电机 模态

随着科学制造水平的进步与提高，对电网运行稳定性的需求也不断提高。大型发电机的安全运行对整个电网的安全、稳定运行将起到越来越重要的作用。发电机单机容量逐渐增加，使汽轮发电机定子端部绕组需要承受的交流变电磁力逐渐的增大，也带来了汽轮发电机定子端部绕端部振动导致各类问题。因此，我们不仅要追求大容量电机在大型汽轮制造应用，同时也要给予其电机定子绕组端部振动问题高度重视，以保证电网运行的稳定与安全。

1发电机通常采用的定子绕组端部结构

大型汽轮发电机定子绕组端部振动是设计、制造和运行中的关键问题。机组在稳态运行时，定子绕组端部除了要承受绕组中的作用力和定子铁心承受的交变载荷，同时还要承受巨大的瞬态电磁力。而且随着发电机的容量的不断增加，受到的磁力随之增大。抑制汽轮发电机定子绕组端部振动的方法就是加强绕组端部的固定。目前，随着发电机冷却方式以及制造厂家的不同，大型汽轮发电机定子绕组端部固定方法也有所不同，根据不同容量机组其固定方式基本可分为绑扎式、压板式和灌注式。

1.1绑扎式固定结构

汽轮发电机端部大多采用绑扎式固定结构，在绑扎式结构中，一般使用环氧玻璃布层压板和浸胶后，将上下层线棒通过绑环、垫块、适形材料等固定在支架上进行绑扎，以保证在发电机绕组端部不发生轴向位移。绑扎式结构的优点是工艺简单、可操作性强、散热性好，足以承受200MW及以下汽轮发电机产生的电磁力。但绑扎式固定方式的缺点是强度不高。

1.2压板式固定结构

压板式固定结构的压板支架的线棒通过涤玻绳互相扎紧，斜边间隙塞紧固定和绑扎后，用压板进行固定，以保证在发电机绕组端部部斜边间隙不变，不发生轴向位移。压板式固定结构的优点是增加了端部压板，从而加强了对径向力作用的承受强度。与绑扎式结构相比，压板式固定结构兼顾了绑扎式固定结构的优点，在工艺上稍有些复杂，但仍属一种比较简单易行的方法。虽然压板式固定结构提高了承受径向力作用的强度，但与灌注式固定结构相比，电磁力承受强度依然偏低。

1.3灌注式固定结构

随着汽轮发电机电压等级的不断升高，对绕组端部的固定强度要求也越来越大。因此产生了灌注式固定结构。灌注式固定结构在注胶前须将用环氧玻璃布层压板和浸过胶的适形毡塞紧，并对内、外压圈进行把合固定。这种固定结构的优点是注胶固化后成为一个整体，可以承受得住瞬间产生的极强的电磁力作用。灌注式固定结构最大的不足之处是散热性不够，而且固化后成为一个整体不便于维修。

2大型汽轮发电机模态试验分析

2.1模态分析的概念

对发电机绕组端部整体结构进行振动特性的模态分析是近年来保证发电机组安全运行的有效方法之一。模态是机械结构的固有振动特性，包括固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析就是以振动理论为基础，建立在已知激励条件下的响应预测模型，获得机械结构的模态参数并进行分析，进而预测实际工作状态下的动力学特性。一般模态分析分为有限元分析法、基于输入输出模态试验的试验模态分析法和基于仅测量输出的运行模态分析法三种类型。

2.2模态数据的要求

数据采集系统主要测量信号源的输入信号，并对这些数据进行存储处理。模态数据采集系统一般包括激励设备、传感系统、采集设备和模态分析软件。对传感系统的要求是频响范围在l-2000Hz之间，灵敏度范围在100mv/g左右为宜；激励设备通常采用力锤脉冲，对0～200Hz的频率范围，力锤脉冲持续时间约1.5ms；采集设备的频率一般在10kHz以上，且至少有2个采集通道。在选择模态数据测点位置、数量及测量方向时，要保证能够显示频段内所有模态的变形特征和区别，且测点数量不应少于定子槽数的一半。

2.3模态分析的步骤

首先进行动态数据的采集。通常的做法是对结构物施加一定动态激励，采集响应信号并获取模态参数。数据采集要求大量的振动测量传感器，保证至少同时采集两个点的信号，因此试验成本较高。根据所采集是数据，随后建立结构模型作为计算及识别参数依据。根据识别方法不同，分为频域建模和时域建模。按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，相应的参数识别方法也不尽相同。参数识别之后会得到结构的模态参数模型，由于模态参数模型的结构较为复杂，因此必须将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。上述步骤完成之后，通用的模态分析软件包进行拟合，可得到实时三维动画显示。

3 测试方法及结果

3.1测试对象

齐鲁电机制造有限公司引进法国ALST伽公司（原瑞士ABB公司）技术生产的ZOOMW～300MW大容量空内冷汽轮发电机。

3.2测试方法

在对发电机端部定子绕组特性进行项目试验时，采用3.4发电机定子绕组端部振动特性测试系统，采用一点激励多点响应或者多点激励一点响应的方式，一点激励二一四次，取平均值，并重点分析固有频率在94Hz～115Hz范围内的模态。

4 结语

我国在模态分析工作起步较晚，但发展迅速，目前模态分析已渗透到我国各个工程领域，并取得了不少成就。汽轮发电机端部绕组结构复杂，只能在机组生产后实际测量。通过汽轮发电机端部绕组模态试验，能及时检测出设备早期隐患，保障机组安全稳定运行。

参考文献：

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