1、引言

隨著發(fā)電機容量的不斷增大，定子繞組端部所受的交變電動力也不斷增大，研究表明，繞組端部承受的電磁力是由端部電流與定子及轉(zhuǎn)子端部漏磁場相互作用所產(chǎn)生，是一個為二倍工頻的旋轉(zhuǎn)交變電磁力，即頻率為100Hz。因此，交變電動力的徑向分量是引起繞組端部結(jié)構(gòu)振動的主要激勵力。此外，繞組端部的電磁作用力沿圓周呈類似橢圓形分布，所以當(dāng)繞組端部的共振頻率為100Hz左右，且其振型呈橢圓形狀時，造成共振的危險性更大。

交變（100Hz）旋轉(zhuǎn)電磁力徑向分量分布

定子繞組端部的橢圓振形

當(dāng)發(fā)電機定子繞組槽內(nèi)固定、端部支撐、綁扎固定結(jié)構(gòu)和工藝不滿足要求，特別是當(dāng)定子繞組端部橢圓形振動頻率落入100Hz附近，則可能造成端部與倍頻電磁力發(fā)生共振，導(dǎo)致定子端部在運行中就可能因共振磨損大而引發(fā)事故的發(fā)生，往往機組投運后不久就會出現(xiàn)端部絕緣的磨損現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致定子繞組松動、絕緣磨損、引水管破裂、漏氫、漏水，甚至造成機組燒毀等事故。

    

定子斷裂的綁繩                出現(xiàn)移位的間隔快及磨損的線棒

另外，出廠時端部結(jié)構(gòu)測試合格的發(fā)電機，運行一段時間后可能會發(fā)生變化，逐漸發(fā)生松動，繞組端部線棒的固有頻率和模態(tài)振型隨之改變，有可能落入雙倍工頻橢圓振型的范圍，此共振現(xiàn)象加重了松動和磨損的程度，導(dǎo)致故障或者事故的發(fā)生，因此分析研究定子繞組端部固定結(jié)構(gòu)的振動特性，對保證機組的安全運行具有重要的意義。

定子繞組端部停機檢修

2 模態(tài)試驗分析

模態(tài)是線性時不變結(jié)構(gòu)的固有特性，每階模態(tài)都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過模態(tài)測試分析掌握結(jié)構(gòu)在其工作頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，可預(yù)測結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)的實際振動響應(yīng)及危害。

模態(tài)試驗就是通過試驗方法得到機械結(jié)構(gòu)在沖擊h(t)作用下的響應(yīng)H(ω)，構(gòu)造出機械結(jié)構(gòu)特性的頻響函數(shù)矩陣，然后對結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率、阻尼及振型進行識別。對某機械結(jié)構(gòu)，在k 點作用單位力時，在i點所引起的頻率響應(yīng)，用頻響函數(shù)表示為H_ik=F_k/X_i，根據(jù)線性疊加原理可得如下形式的多自由度系統(tǒng)頻響關(guān)系式：

式中：{X}、[H]、{F}分別為振動響應(yīng)、頻率響應(yīng)矩陣和激振力，根據(jù)動力學(xué)理論可推導(dǎo)出：

                                 （2）

式中：m_r 、k_r 、c_r 分別為第r階模態(tài)的固有振型、質(zhì)量、剛度和阻尼。并由以上兩式可得到頻響函數(shù)矩陣表達式：

                                         （3）

頻響函數(shù)矩陣中的任一行為：

           （4）

頻響函數(shù)矩陣中的任一列為：

                               （5）

可見，頻響函數(shù)[H]中的任一行或任一列包含了結(jié)構(gòu)所有的模態(tài)信息，因此，為取得全部模態(tài)信息，僅需測量頻響函數(shù)矩陣中的一行或一列即可?？赏ㄟ^三種方法得到結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)矩陣進而獲取模態(tài)參數(shù)：a）一點測量、多點激勵SIMO，即可得到頻響函數(shù)中的一行；b）一點激勵、多點測量MISO，即可得到頻響函數(shù)的一列；c）也可以進行多點激勵、多點響應(yīng)測量MIMO法。

根據(jù)大型汽輪發(fā)電機定子繞組模態(tài)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)（如JB/T 8990、GB/T 20140、DL/T 735—2000等），推薦使用錘擊法的模態(tài)測試方案，即固定多個點測量響應(yīng)（設(shè)置多個參考點，防止遺漏模態(tài)信息），而順序?qū)λ袦y點激勵。

漢航NTS.LAB模態(tài)試驗平臺支持錘擊法、激振器法、OMA工作模態(tài)等模態(tài)測試方法，依據(jù)測量到的FRF數(shù)據(jù)、時域或PSD數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的識別方法獲取發(fā)電機端部繞組的模態(tài)參數(shù)（頻率、阻尼、振型、質(zhì)量、剛度）。

3 試驗案例

為防止定子線棒在運行過程中因松動造成絕緣磨損等問題，在停機檢修期間需要對繞組端部松動和磨損進行外觀檢查以及相應(yīng)的振動特性試驗工作，其中就包括定子端部繞組的模態(tài)試驗。

本次試驗對象為350MW、額定轉(zhuǎn)速為3000rpm的汽輪發(fā)電機定子繞組端部，繞組端部是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量和剛度都分散的分布參數(shù)非線性彈性系統(tǒng)，不同部位有各自不同的局部多階模態(tài)，既相互影響又存在整體的共振效應(yīng)。定子繞組端部模態(tài)試驗是通過測定整體的振型、頻率，以判定發(fā)電機在運行時是否會發(fā)生共振危害。

汽輪發(fā)電機參數(shù)

在定子繞組端部相同內(nèi)徑的部位布置測點，每隔兩個線棒布置一個測點，繞組端部的鼻端布置共計27個測點，如下圖所示。

建立27個自由度，測試徑向響應(yīng)，分別在結(jié)點4、6、12、17、22、26粘貼加速度傳感器作為參考點

 

 發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)試驗現(xiàn)場

試驗采用錘擊法（寬帶隨機激勵）進行測試，即移動力錘激振，多點響應(yīng)的方法。在激振的同時測量激振力和響應(yīng)信號，然后對信號進行頻響函數(shù)分析，將得到的FRF函數(shù)矩陣在NTS.LAB模態(tài)分析平臺中分析，利用多參考點更小二乘復(fù)頻域法（polyLSCF）及更大似然估計方法（MLE），得到繞組端部的模態(tài)參數(shù)，具體如下。

表1 定子繞組端部徑向模態(tài)參數(shù)

模態(tài)頻率 （Hz）	阻尼 （%）	振型
42.201	0.458	重根模態(tài)：橢圓形
42.509	0.552
51.268	0.520	三瓣型
54.929	0.529	四瓣型
95.459	0.441	共振區(qū)振型
97.837	0.540
102.978	0.723
106.827	0.418

 

橢圓振型：重根模態(tài)

 

三瓣型

四瓣型

 

 

共振區(qū)整體振型

由上圖振型圖可知，橢圓振型在42Hz左右，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求（如GB/T 20140），定子繞組在95-100Hz范圍內(nèi)不存在橢圓振型即符合相關(guān)規(guī)范要求，表示該結(jié)構(gòu)的設(shè)計和運行是合格可靠的。另外，盡管在100Hz附近存在不規(guī)則的多瓣振型，由于繞組端部受到的徑向激振力分布是橢圓形狀，因此也不會在發(fā)電機端部形成較大的共振。

4 總結(jié)

發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性試驗通過測量結(jié)構(gòu)固有頻率等模態(tài)參數(shù)了解發(fā)電機實際運行時的振動狀態(tài)，對發(fā)電機結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、故障診斷有著不可替代的作用，現(xiàn)已被有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列為發(fā)電機檢查試驗的必做項目。

漢航NTS.LAB EMA模態(tài)測試分析模塊支持多種高精度模態(tài)參數(shù)識別分析算法，如SDOF單自由度、MDOF多自由度分析、多參考點更小二乘復(fù)指數(shù)法（polyLSCE）、多參考點更小二乘復(fù)頻域法（polyLSCF）、MMIF多變量模態(tài)指示函數(shù)法等，并利用更大似然估計（MLE）剔除噪聲數(shù)據(jù)影響，獲得可靠的模態(tài)測試結(jié)果，為定子繞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計、故障診斷提供可靠的參考依據(jù)。