某型汽輪發(fā)電機(jī)組公共底座模態(tài)分析及試驗(yàn)

岑黎明，郭大泉

（中船重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

某型汽輪發(fā)電機(jī)組公共底座模態(tài)分析及試驗(yàn)

岑黎明，郭大泉

（中船重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

對某船用汽輪發(fā)電機(jī)組公共底座進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，并進(jìn)行了模態(tài)測試。測試結(jié)果與仿真分析結(jié)果達(dá)到了吻合，說明公共底座有限元建模方法可行，有限元模型滿足工程精度要求，這為進(jìn)一步分析整體汽輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)力特性奠定了基礎(chǔ)。

汽輪發(fā)電機(jī)組公共底座；模態(tài)分析；試驗(yàn)

0 引言

某型汽輪發(fā)電機(jī)組為小功率機(jī)組，主要由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、公共底座及附屬設(shè)備組成[1-2]。汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及附屬設(shè)備集成布置于公共底座上，公共底座通過隔振器彈性安裝在船體上[3-4]。由于船用條件的特殊性，公共底座不僅要滿足靜力學(xué)強(qiáng)度和變形的要求，而且安裝狀態(tài)下公共底座的模態(tài)對工作頻率要有一定的避開裕度，以防止公共底座局部振動(dòng)放大。若發(fā)生局部耦合振動(dòng)，不僅影響整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)，而且會(huì)通過安裝機(jī)腳影響到船體振動(dòng)。

本文對某型汽輪發(fā)電機(jī)組公共底座進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模和模態(tài)計(jì)算，并通過模態(tài)測試對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，為后續(xù)整體汽輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)力特性的分析奠定了基礎(chǔ)。

1 基本理論

模態(tài)分析又稱為結(jié)構(gòu)的固有特性分析，用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，其分析結(jié)果可作為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、諧響應(yīng)分析和譜分析等其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。任何結(jié)構(gòu)或部件都有固有頻率和相應(yīng)的模態(tài)振型，這些屬于結(jié)構(gòu)或部件自身的固有屬性。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征方程的特征值和特征向量。

典型的無阻尼結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[K]為剛度矩陣；[X˙˙]為加速度向量；[X˙]為位移向量

如果令：

則有：

代入運(yùn)動(dòng)方程，可得：

上式為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征方程，模態(tài)分析就是計(jì)算該特征方程的特征值ω和特征向量[ω]。

2 公共底座有限元分析

2.1 公共底座有限元模型建立

公共底座采用框架式結(jié)構(gòu)，用不同厚度的鋼板焊接而成。因機(jī)組的特殊需求，底座后部需留有一個(gè)封閉的容積空間，為此底座后部上端用板焊接，下端采用法蘭蓋型式，用螺栓連接，以方便現(xiàn)場安裝維修，見圖1。

圖1 公共底座示圖

針對公共底座的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用殼單元建立有限元模型是比較合適的。有限元模型做了適當(dāng)?shù)暮喕?，去掉了前后兩個(gè)耳朵狀的限位器安裝板。底座后部容積空間上下蓋采用綁定接觸固定。公共底座有限元模型如圖2。

圖2 公共底座有限元模型圖

利用通用有限元軟件分析底座的模態(tài)，約束狀態(tài)為自由，材料密度7850kg/m3，泊松比0.3，彈性模量2.07GPa。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算了自由狀態(tài)下公共底座前30階模態(tài)，結(jié)果見表1。

表 公共底座前30階模態(tài)

由于底座后部容積空間的上下蓋板比較薄，蓋板的局部模態(tài)較多（如圖3所示），真正有益的是底座的整體模態(tài) 見表1）。去除局部模態(tài)后，底座的前6階整體模態(tài)，如圖4所示。

圖3 公共底座上下蓋的局部模態(tài)

3 公共底座試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)邊界條件及測試儀器

對公共機(jī)座進(jìn)行了模態(tài)測試，驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的正確性。

為模擬自由邊界條件，公共底座采用4只KA-800橡膠隔振器支撐。支撐系統(tǒng)的最低階垂向剛體模態(tài)頻率為7.4Hz，而根據(jù)分析結(jié)果，公共底座一階結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率約為90Hz，支撐系統(tǒng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公共底座一階固有頻率，支撐狀態(tài)能模擬自由—自由狀態(tài)。

圖4 不同彎曲振型下的整體模態(tài)圖

測試設(shè)備采用LMSSCM09多通道信號分析儀，加速度傳感器采用型號B&K4513B，激振器型號V406，力傳感器型號1051V5。

3.2 測點(diǎn)布置

公共底座模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示，圖中建立了與底座實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)一致的完整模型，共計(jì)150個(gè)振動(dòng)加速度響應(yīng)測量點(diǎn)。試驗(yàn)中，通過激振器對機(jī)架進(jìn)行垂向激勵(lì)，獲取機(jī)架垂向(Z向)模態(tài)頻率、模態(tài)振型等相關(guān)模態(tài)信息。

圖5 公共底座模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

公共底座模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w測點(diǎn)布置如圖6、7所 ，其中圖6為底座上層測點(diǎn)布置示意圖，圖7為底座下層測點(diǎn)布置示意圖。

圖6 公共底座試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕蠈訙y點(diǎn)布置圖

圖7 公共底座試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖聦訙y點(diǎn)布置圖

3.3 測試結(jié)果

公共底座模態(tài)測試結(jié)果如表2所示，各階模態(tài)振型如圖8所示。

3.4 對比分析

將有限元仿真分析結(jié)果同測試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。經(jīng)分析知，底座模態(tài)第一階分析結(jié)果誤差0.3%；第二階分析結(jié)果誤差4.6%；第三階分析結(jié)果誤差4%；第四階分析結(jié)果誤差0.5%；第五階分析結(jié)果誤差1.2%。前五階的模態(tài)頻率和振型計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果吻合較好，第六階計(jì)算結(jié)果誤差較大。

究其原因，在公共底座模態(tài)測試時(shí)，傳感器布置在垂向一個(gè)方向，通過激振器進(jìn)行垂向激勵(lì)，對于橫向的振動(dòng)響應(yīng)無法捕捉。而仿真計(jì)算結(jié)果顯示，公共底座的第六階模態(tài)正是橫向彎曲振動(dòng)，因此，兩者出現(xiàn)較大的誤差。再者由于只仿真計(jì)算了前 30階的模態(tài)，第六階測試模態(tài)388.4Hz超出了計(jì)算結(jié)果范圍，仿真結(jié)果中無法顯示對應(yīng)的模態(tài)結(jié)果。

表2 公共底座模態(tài)測試結(jié)果匯總

圖8 公共底座在不同階的測試模態(tài)

表3 仿真計(jì)算與測試模態(tài)結(jié)果對比

4 結(jié)語

綜上，測試結(jié)果和仿真分析結(jié)果能很好吻合，說明雖經(jīng)簡化處理，公共底座的有限元模型能完全滿足工程分析要求，這為后續(xù)整體汽輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)力特性的分析奠定了基礎(chǔ)。

[1] 鄭兆昌. 機(jī)械振動(dòng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1980.

[2] 蔣傳漪. 振動(dòng)測試和分析[M]. 北京: 人民鐵道出版社, 1979.

[3] 尚曉江. ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005.

Modal Analysis and Test on Pedestal of Steam-Turbine Generator Set

CEN Li-ming, GUO Da-quan
(No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Modal analysis and modal test on a ship steam-turbine generator set are carried out. The results of simulation analysis and testing achieve a good agreement. It shows that the method of finite element modeling on the pedestal is feasible. The finite element model of pedestal has sufficient accuracy for engineering analysis. It lays the foundations for further overall analysis on the dynamic characteristics of steam-turbine generator set.

pedestal of steam-turbine generator set; modal analysis; test

TM62

A

岑黎明（1979-），男，工程師。研究方向：輔汽輪機(jī)設(shè)計(jì)。