CN105486400B - 一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，将发电机机座的壳侧部件按重量及结构刚性等效为梁杆件和集中质量组合；将机座底脚与底板间的联接，按不同工况下机座四角底载分布数据模拟得到不同联接刚度的弹性元件；将汽轮发电机混凝土基础等效为一个梁单元为主的三维空间模型，与机座壳体等共同组成为一个子结构模块；将发电机机座壳体及基础子结构模块和发电机转子系统通过轴承动态油膜刚度阻尼连接耦合。本发明完整考虑了转子实体结构和轴承动态油膜力、发电机机座底板载荷分布的支承边界变化、以及基础结构振动等因素对发电机机座壳体振动频率和响应的影响，为汽轮发电机机座壳体振动特性计算提供了更符合实际运行状态的分析模型。

Description

一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法

技术领域

本发明涉及一种模拟现场运行状态，即计入发电机转子实体结构和轴承动态油膜力、机座底载变化以及发电机基础结构影响等条件下的汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，属于电站汽轮发电机技术领域。

背景技术

为避免汽轮发电机在运行时其机座壳体关键部位振动过大，带来冷却水和氢气等重要管路泄露、噪声超标等安全事故，保障机组正常运行，现有火电或核电用汽轮发电机设计中，要进行机座的固有频率、设计激振力下的机座振动响应计算。但设计计算时，作用于端盖轴承的激振力为一给定的单向固定正弦力，发电机机座的支承边界一般等效为固定支撑或单一刚度值。

这种计算模型忽略了运行旋转状态下的转子实体结构影响及轴承油膜力动态变化、以及各发电机机座四角载荷分布状态在静止与运转带负荷状态不同而产生的机座底脚与底板间联接刚度变化，此外庞大的发电机混凝土基础的结构振动耦合效应影响，均无法计入，使得发电机机座壳体的固有频率及振动响应计算值与实际运行状态下有明显差异，严重者，带高负荷工作状态产生了机座壳体结构共振及振动响应过大现象。因此，需要将运转的转子及轴承动态油膜力、机座底脚与底板间联接刚度变化、以及发电机基础纳入到大型核电机组发电机机座壳体振动响应计算模型中。

此外，现有的设计计算模型由于未将模拟现场实际安装运行情况的边界计入，故无法准确进行发电机机座结构振动特性的优化调整分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种模拟机组现场安装运行状态，可计入转子实体结构和轴承动态油膜力、机座底脚与底板间变化联接刚度、以及转子和发电机混凝土基础结构影响的汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：该方法由以下4个步骤组成：

步骤1、将发电机机座的壳侧部件按发电机壳体筋板位置等效成多个梁杆单元为主的三维空间结构模型，柔性支撑在机壳上的实体部件按质量分布等效加在相应的节点上，壳体两端顶部的氢气冷却器按重量和刚度分布等效于壳体两端顶部方形接颈上，将端盖轴承座按端盖筋板分布及下箱体结构刚性等效为左右对称的支撑杆件以及下半斜撑杆件组，端盖轴承端面等效杆件与壳体及发电机基础纵梁相交；

步骤2、基于机座四角底载实测数据或设计规范值和不同负荷下发电机壳体力矩变化值，模拟静止及不同负荷工况下机座底脚与底板间接触的联接刚度或预应力，建立四角底载分布区域底脚筋板至发电机两侧底板支点的等效弹性连接单元或预应力边界单元；

步骤3、发电机的混凝土基础包括励磁机基础，按其实物结构尺寸等效为一个梁单元为主的三维空间模型，发电机两侧底板与基础顶台板纵梁固定连接形成当量梁；与步骤1、2建立的模型单元组成1个子结构模块；

步骤4、包括励磁转子的发电机实体转子离散为多个刚性等效的质量单元，组成1个子结构模块，发电机转子各轴颈轴承支点坐标与步骤3中得到的机座壳体和基础子结构模块的轴承支点位置坐标一致；基于转子运转工况，计算得到轴承动态油膜刚度、阻尼参数，此轴承动态油膜参数作为动态弹性连接件，将发电机转子系统与发电机机座壳体系统模块连接成耦合振动系统进行动特性计算分析，以获得转子实际运转工况和轴承动态油膜力作用下的发电机机座壳体的固有频率和关键节点的振动响应。

优选地，所述步骤1中，壳侧部件包括机壳、机座底脚板、铁芯、连接弹簧、氢冷器及端盖轴承。

优选地，所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1、所述发电机机座壳体，按壳体筋板所在位置等效离散成网状空间梁杆，在轴向筋板和周向筋板相交处建立节点和有序编号，并在支撑筋板底脚处与底板和基础混合纵梁建立连接；

步骤1.2、机座铁芯及其他附属部件离散成等效质量，通过壳体内与筋板相联的支撑弹簧元件支撑于壳体节点上；

步骤1.3、氢气冷却器罩壳及冷却器，按筋板位置离散为矩形空间梁，其结构重量等效为质量块加重于节点；

步骤1.4、对于端盖轴承座，根据转子轴颈的轴承支点位置，将端盖轴承座按端盖筋板分布等效为左右对称的辐射状的支撑杆件，依据端盖下箱体结构刚性来等效调整下半斜撑杆件的截面特性，端盖轴承端面等效杆件与壳体及发电机基础纵梁相交。

优选地，所述步骤2中的具体步骤为：

步骤2.1、根据发电机现场安装底载分布实测结果或设计底载分布规范要求，获得发电机机座底载分布数据，同时计算不同负荷下发电机壳体力矩变化产生两侧底载力的变化；

步骤2.2、根据静止和负荷工况下的机座四角底载分布，模拟静止及不同负荷工况下机座底脚与底板间的联接刚度，建立机座四角底载分布区域其底脚筋板至发电机两侧底板支点的等效弹性连接单元；

步骤2.3、发电机两侧底板与混凝土基础顶台板纵梁固定连接，形成重合段。

优选地，所述步骤3中的具体步骤为：

步骤3.1、在发电机包括励磁机混凝土基础横梁及立柱上设定节点，每两个节点构成一个单元结构，并为每个节点及单元结构设置相应的单元号；

步骤3.2、发电机两侧底板与基础顶台板纵梁固接重合段设置专门节点和单元；

步骤3.3、设定各单元结构的材料属性类型号及截面特性类型号。

优选地，所述步骤3.2中，重合段为金属和混凝土混合当量梁。

优选地，所述步骤4中，“将发电机转子子结构和发电机机座壳体、端盖轴承座及基础子结构进行连接成耦合振动系统”可替换为“将发电机机座壳体系统与发电机转子系统连接成耦合振动系统”。

优选地，所述步骤4中的具体步骤为：

步骤4.1、包括励磁转子的发电机实体转子离散为多个刚性等效的质量单元，计算得到转子各运转工况下的轴承油膜动态参数作为动态弹性连接件；

步骤4.2、计算得到实体转子的不平衡量，以轴承动态油膜参数为连接件将发电机转子系统与发电机机座壳体系统模块连接成耦合振动系统(或：将发电机转子子结构和发电机机座壳体、端盖轴承座及基础子结构连接成耦合振动系统)进行动特性计算分析，以获得转子实际运转工况和轴承动态油膜力作用下的发电机机座壳体的固有频率和关键节点的振动响应。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明较完整地考虑了现场运行状态下的转子实体结构与轴承动态油膜力、发电机机座底板载荷分布的支承边界变化、以及基础结构振动等因素对发电机机座壳体振动频率和响应的影响，建立了计入转子轴承和基础的汽轮发电机机座壳体梁/杆单元计算模型，利用模态综合方法，可以计算分析获得不同转速、不同负荷工况时，发电机运转状态转子轴承油膜力作用下以及实体基础结构支撑边界下的机座壳体关键点振动响应值，还可以计算获得发电机机座与基础整体系统各阶模态频率和振型；计算结果更加符合现场运行状态。

(2)本发明扩展了发电机机座振动特性设计计算分析应用范围。本发明建立的计算模型可通过改变机壳等效梁杆截面特性、轴承结构改进、以及润滑油参数的变化，进行发电机转子旋转运行状态下大型发电机机座振动特性的优化分析，为控制设计中的以及电厂在运的汽轮发电机组机座壳体振动响应幅值，提供了更合理有效的、更符合实际运行状态、也可同步获得多种振动特性计算结果的计算方法。

(3)本发明提出的计算分析模型和方法还可同步获得：计入了发电机机座结构刚性效应下的发电机转子振动模态频率和振型，使轴承座和转子振动特性计算结果也更准确。

附图说明

图1为本实施例采用的汽轮发电机机座及转子轴承和基础系统主视示意图；

图2为图1的左视图；

图3为汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法流程示意图；

图4为发电机机座各部件等效梁杆件的三维计算模型示意图；

图5为发电机机座底载分布位置示意图；

图6为发电机机座及基础等效梁(杆件)三维计算模型系统示意图；

图7为转子与轴承油膜系统计算模型系统示意图；

图8在机组运转状态下发电机机座与基础系统、转子系统的模态振型图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1和图2分别为本实施例采用的汽轮发电机机座及转子轴承和基础系统主视和左视示意图，所述的汽轮发电机机座及转子轴承和基础系统由机座1、转子2、轴承3、机座壳体4、机座壳体筋板5、铁芯6、混凝土基础7、端盖及盖式轴承座8、氢气冷却器9、底脚10、底板11等组成。

图3所示为汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法流程示意图，该方法建立了计入转子轴承油膜动态力和混凝土基础后的汽轮发电机机座壳体振动特性计算模型，步骤如下：

步骤一：

该核电机组汽轮发电机的机座壳体4由18个内弹簧板支撑筒形铁芯6、轴向筋条18根、周向箍筋18个筋板、外壳体以及两条纵向底脚10、两端端部绕组端盖及盖式轴承座8组成，汽励两侧壳体顶部安装有氢气冷却器9。其实物等效为一个梁杆单元为主加集中质量的三维空间模型，见图4，具体实施如下：

①轴向筋条结合所在壳体等效为18根不同截面尺寸杆件，周向箍筋等效为18个环形条状杆件，对应周向箍筋的底脚筋板按刚度质量等效为三角支杆，轴向杆件与周向环形元件交接处设为节点。每两个节点构成一个单元结构，且顺序编号并进行连接。

②铁芯及其他附属部件等效集成36个质量点，通过内弹簧等效杆件放在两侧纵向杆件节点上。

③发电机端盖及端盖式轴承座，按其上各筋板分布以及其所在端盖板体尺寸，并按实测端盖轴承座刚度，等效为左右对称等刚度的辐射状支撑杆件以及下半斜撑杆件组，并与壳体及发电机基础纵梁相交。

④发电机壳体两端氢气冷却器按刚性和质量，等效为矩形框架加载在壳体两端上部。

步骤二：

根据发电机安装机座四角底载分布状况，建立底脚与底板的联接特性，见图5，具体实施如下：

①根据发电机现场安装底载分布实测结果得发电机机座底载分布数据，以及计算得带负荷下发电机壳体力矩变化产生两侧底载力的变化计算结果，见表1。

②机座底板等效为两条纵向梁与基础固定连接，机座底脚四角区域承载，通过弹性单元与底板四角连接，通过四角载荷分布计算结果，按载荷及接触状况选取对应的联接刚度，获得联接刚度模拟分布结果，见表1。

表1发电机机座底载四角分布核算结果以及弹性联接刚度模拟结果

步骤三：

该汽轮发电机包括励磁机的混凝土基础7，由顶台板、中间台板及立柱组成，其实物结构尺寸等效为一个梁单元为主的三维空间模型，并与发电机机座壳体等合成一结构模块，见图6，图6中A表示发电机机座，B表示发电机基础，C表示励磁机跨，具体实施如下：

①混凝土基础梁及立柱上的节点设置在截面几何特性及材料特性变化处、以及发电机载荷分布处，每两个节点构成一单元并按顺序编号。

②将发电机基础与机座壳体、底脚、端盖轴承座及氢冷器合成一个子模块一。

③对子模块一设定每个单元结构的材料类型和截面类型，对于发电机两侧底板与基础两侧纵梁重合段，进行当量材料弹性模量和比重特性计算，所获材料属性类型3种、截面特性类型55种，节点数310。

步骤四：

将发电机转子包括励磁机转子离散为多质量、等效刚性外径轴段系统，组成子模块二，共形成147个单元和148个节点，发电机转子轴颈支点坐标与步骤三中所述的子模块一的轴承支点位置坐标一致，见图7，图7中D表示发电机转子，E表示轴承油膜刚度阻尼边界，F表示励磁机转子。基于转子运转工况，计算得到轴承动态油膜刚度、阻尼参数，此油膜参数作为动态弹性连接件，将机座壳体与基础系统和转子系统两大子结构模块连接成耦合振动系统，运用动态子结构模态综合法进行发电机机座壳体的振动频率振型及振动响应计算。

本发明的效果：

通过上述步骤建立的涵盖转子轴承油膜力和机座底脚与底板联接刚度动态边界、以及转子和混凝土基础结构影响的汽轮发电机机座壳体的梁/杆单元计算模型，利用动态子结构法中的模态综合方法，可分析获得转子安装、发电机运行时不同工况边界下、以及实体基础结构支撑下的机座壳体模态频率、振型关键部位和振动响应值，此外还可计算得机座壳体与基础系统共同影响下的发电机转子临界转速和振型。不同工况对应的边界条件下，发电机机座壳体系统振动模态频率和关键部位响应等计算分析结果见表2，发电机机座壳体及基础系统的振型结果见图8A至图8F，图8A为机壳水平轴向振动振型，图8B为机壳与基础耦合水平轴向反相振动振型，图8C为机壳与基础耦合水平横向振动振型，图8D为机壳水平轴向扭转振动振型，图8E为机壳垂直向一阶振动振型，图8F为发电机转子垂直向二阶振动振型。

表2不同工况对应的边界条件下发电机机座壳体系统主要振动特性计算分析结果

Claims (7)

1.一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：该方法由以下4个步骤组成：

步骤1、将发电机机座的壳侧部件按发电机壳体筋板位置等效成多个梁杆单元为主的三维空间结构模型，柔性支撑在机壳上的实体部件按质量分布等效加在相应的节点上，壳体两端顶部的氢气冷却器按重量和刚度分布等效于壳体两端顶部方形接颈上，将端盖轴承座按端盖筋板分布及下箱体结构刚性，等效为左右对称辐射状的支撑杆件以及下半斜撑杆件组，并与壳体及发电机基础纵梁相交；

步骤2、基于机座四角底载实测数据或设计规范值和不同负荷下发电机壳体力矩变化值，模拟静止及不同负荷工况下机座底脚与底板间接触的联接刚度，建立四角底载分布区域底脚筋板至发电机两侧底板支点的等效弹性连接单元；

步骤3、发电机的混凝土基础包括励磁机基础，按其实物结构尺寸等效为一个梁单元为主的三维空间模型，发电机两侧底板与基础顶台板纵梁固定连接形成当量梁；与步骤1、2建立的模型单元组成1个子结构模块；

步骤4、包括励磁转子的发电机实体转子系统离散为多个刚性等效的质量单元，组成1个子结构模块，发电机转子各轴颈轴承支点坐标与步骤3中得到的子结构模块的轴承支点位置坐标一致，基于转子运转工况，计算得到轴承动态油膜刚度、阻尼参数，此轴承动态油膜参数作为动态弹性连接件，将发电机转子子结构和发电机机座壳体、端盖轴承座及基础子结构进行连接成耦合振动系统进行动特性计算分析，以获得转子实际运转和轴承动态油膜力作用下的发电机机座壳体的固有频率和关键节点的振动响应。

2.如权利要求1所述的一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1、所述发电机机座壳体，按壳体筋板所在位置等效离散成网状空间梁杆，在轴向筋板和周向筋板相交处建立节点和有序编号，并在支撑筋板底脚处与底板和基础混合纵梁建立连接；

步骤1.2、机座铁芯及其附属部件离散成等效质量，通过壳体内与筋板相联的支撑弹簧元件支撑于壳体节点上；

步骤1.3、氢气冷却器罩壳及冷却器，按筋板位置离散为矩形空间梁，其结构重量等效为质量块加重于节点；

步骤1.4、对于端盖轴承座，根据转子轴颈的轴承支点位置，将端盖轴承座按端盖筋板分布等效为左右对称的辐射状的支撑杆件，依据端盖下箱体结构刚性来等效来调整下半斜撑杆件的截面特性，端盖轴承端面等效杆件与壳体及发电机基础纵梁相交。

3.如权利要求1所述的一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：所述步骤2中的具体步骤为：

步骤2.1、根据发电机现场安装底载分布实测结果或设计底载分布规范要求，获得发电机机座底载分布数据，同时计算不同负荷下发电机壳体力矩变化产生两侧底载力的变化；

步骤2.2、根据静止和负荷工况下的机座四角底载分布，模拟静止及不同负荷工况下机座底脚与底板间的联接刚度，建立机座四角底载分布区域其底脚筋板至发电机两侧底板支点的等效弹性连接单元；

步骤2.3、发电机两侧底板与混凝土基础顶台板纵梁固定连接，形成重合段。

4.如权利要求1所述的一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：所述步骤3中的具体步骤为：

步骤3.1、在发电机包括励磁机混凝土基础横梁及立柱上设定节点，每两个节点构成一个单元结构，并为每个节点及单元结构设置相应的单元号；

步骤3.2、发电机两侧底板与基础顶台板纵梁固接重合段设置专门节点和单元；

步骤3.3、设定各单元结构的材料属性类型号及截面特性类型号。

5.如权利要求1所述的一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：所述步骤1中，壳侧部件包括机壳、机座底脚板、铁芯、连接弹簧、氢冷器及端盖轴承。

6.如权利要求4所述的一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：所述步骤3.2中，重合段为金属和混凝土混合当量梁。

7.如权利要求1所述的一种汽轮发电机机座壳体振动响应计算方法，其特征在于：所述步骤4中，“将发电机转子子结构和发电机机座壳体、端盖轴承座及基础子结构进行连接成耦合振动系统”可替换为“将发电机机座壳体系统与发电机转子系统连接成耦合振动系统”。