霎 主坌堑 ｓｎｅｊ・ｖｕ Ｆｅｎ× 基于ＡＮＳＹＳ的汽轮发电机定子端部绕组模态分析 吴疆 王会桥。 （１．华北电力大学（保定）机械工程系，河北保定０７１００３；２．山东电力集团公司菏泽供电公司，山东菏泽２７４０００） 摘要：针对某大型汽轮发电机定子端部绕组，利用ＰＲＯ／Ｅ建立复杂结构的物理模型，将建立好的模型导人到ＡＮＳＹＳ中，建立数值 分析的有限元模型，分析模态特性，得到定子端部绕组的三瓣模态和椭圆模态，并与试验数据进行了简单比较，对实践有一定的指导意义。 关键词：汽轮发电机；定子端部绕组；模态分析 Ｏ引言 目前，汽轮发电机因振动而产生的故障有很多类型，比如 质量不平衡、转轴不对称、联轴器松动、结构刚度不足、结构共 振、冷却通道阻塞、叶轮松动等，其中几种常见的故障发生率占 了总数的９５ 以上，而这里面又以汽轮发电机结构共振引起的 事故最为显著。 众所周知，汽轮发电机在稳态运行过程中会受到电磁力的 作用，根据电机学的相关知识我们知道，这个电磁力是周期变 化的，而且频率是１００ Ｈｚ。由振动学知识可知，当结构的固有 频率和交变外力的频率相同时，结构将达到共振，振幅会很大， 这样对结构的损坏会特别大。所以实际工作中必须保证汽轮 发电机定子端部结构的固有频率避开共振频率１Ｏ０ Ｈｚ，例如， 根据设计规程，要求二极发电机定子端部绕组椭圆模态对应的 固有频率应避开９４～１１５ Ｈｚ范围。鉴于此，就需要对汽轮发 电机定子端部结构的固有频率进行计算。以前比较常用的方 法是试验法（锤击法），但是随着有限元分析的发展，可以对结 构进行数值模拟，这样的数值模拟结果对汽轮发电机定子端部 绕组结构的设计和制造有重要的指导意义。 本文利用ＰＲＯ／Ｅ建立某大型汽轮发电机定子端部绕组的 物理模型，将模型导入到ＡＮＳＹｓ中后划分网格，建立精密的有 限元模型，在此基础上，对定子端部绕组的模态进行了数值模 拟，并与试验结果对比，基本吻合，为该定子端部结构的进一步 分析奠定了基础。 １ 汽轮发电机结构和定子端部绕组物理模型 １．１汽轮发电机结构 大型汽轮发电机容量越来越大，结构相对比较复杂。汽轮 发电机主体上分为转动的转子和静止的定子２部分。定子的 构成主要有用于固定整个结构的基座、由硅钢片压叠而成的定 子铁芯、定子绕组等结构件，而转子本体、槽绝缘、转子轴、阻 尼、护环及转子绕组引线等组成了转子部分。 １＿２定子端部绕组物理模型 汽轮发电机定子端部绕组结构比较复杂，定子铁芯出槽口 处有上层绕组和下层绕组，上下层线棒是用绑扎绳捆绑在一起 的；伸出铁芯外面的绕组是用支撑环和绑扎环固定的，上下层 线棒之间有适形材料和树脂软管，还有将支撑环、绑扎环及上 下层线圈连成一体的连接结构。图１是某汽轮发电机定子端 部绕组的物理模型。 ２模态分析结果 ２．１数值模拟结果 利用ＡＮＳＹＳ对定子端部绕组进行模态分析，获得了定子 １２８ 图１ 定子端部绕组物理模型 端部绕组的三瓣模态和椭圆模态，并将椭圆模态和三瓣模态的 固有频率值在图２、３中加以显示。从图中可以看出，椭圆模态 对应的固有频率值避开了９４～１１５ Ｈｚ，避免了２倍工频的共振 区域。在这里需要说明的是，在模态分析结果中含有不同的模 态类型，但总体上是以端部结构的弯曲为主。根据电机学中电 动力的计算分析指导可知，如果这些弯曲为主的模态的固有频 率落在９４￣１１５ Ｈｚ内部，这样也不会引发共振。 图３三瓣模态ｆ＝１１１．０３２ Ｈｚ ２＿２基于ＡＮＳＹＳ的实测结果和试验结果的比较 图４显示的是采用试验法（锤击法）测量得到的汽轮发电 机定子端部绕组的椭圆模态和三瓣模态，椭圆模态测得的固有 频率是８３．Ｚ６８ Ｈｚ，三瓣模态测得的固有频率是１１３．１６ Ｈｚ。 对比图２和图４（ａ）可见，基于ＡＮＳＹＳ分析得到的椭圆模态的 固有频率是８１．１２３ Ｈｚ，如图２所示，而实测得到的椭圆模态如 ｓｎｅＪ ｙｕ Ｆｅ 大型燃气轮机联合循环电厂的优化设计探析 唐欣 （深圳南山热电股份有限公司，广东深圳５１８０５２） 量坌塑ｉ 摘要：在分析燃气轮机联合循环机组构成和发电原理的基础上，从燃气轮机、余热锅炉、蒸汽系统、轴系配置４个方面阐述了大型燃 气轮机联合循环电厂的优化设计，具有一定的参考价值。 关键词：燃气轮机；蒸汽系统；余热锅炉 ０引言 近年来，我国燃气一蒸汽联合循环技术日趋成熟，燃气轮 机的热效率和单机功率不断提高，这使得燃气轮机及其联合循 环在我国电力系统中发挥的作用日益凸显，它不仅可以作为尖 峰负荷机组和紧急备用电源，还能携带中间负荷和基本负荷。 缩后的过滤空气送入燃烧室，燃料与空气充分混合燃烧所产生 的高温烟气将带动发电厂生产电力；燃气轮机所产生废气的温 度（４０５￣６００℃）较高，进入到余热锅炉后，余热锅炉将高温废 气的热能转化为蒸汽，汽轮机在大量蒸汽的作用下带动发电机 产生电力。 相较于普通电厂，燃气轮机联合循环电厂具有明显的优势，因 此探讨大型燃气轮机联合循环电厂的优化设计，具有十分重要 的现实意义。 ２大型燃气轮机联合循环电厂的优化设计 大型燃气轮机联合循环电厂的优化设计比较复杂，其中涉 及的因素较多，设计人员要着眼于提高机组的整体性能，而不 １ 燃气轮机联合循环机组的构成和发电原理 燃气一蒸汽联合循环机组的构件，主要包括余热锅炉、汽 轮机和燃气轮机等３个部分，其中最为关键的是燃气轮机，它 的性能直接影响着整个机组的效率。燃气一蒸汽联合循环机 组的燃气系统由燃气轮机及辅助设备组成，蒸汽系统由蒸汽轮 机和余热锅炉组成，燃气轮机的排气参数决定着机组的蒸汽 参数。 是单一地提高蒸汽系统或燃气系统的性能。 ２．１燃气轮机的优化设计 作为余热锅炉型联合循环的主要部件，燃气轮机是决定大 型燃气轮机联合循环电厂发电成本、供电效率和运行可用率的 关键，对其进行优化设计主要考虑以下几个方面的因素： （１）燃气轮机的热力性能特性。热力性能是燃气轮机发展 应用的前提，燃气轮机在出厂时通常都会由厂家给出规定条件 下的额定值，便于电厂进行合理的选择：当燃气轮机用于尖峰 负荷和备用尖峰负荷时，厂家在对额定工况、变工况、启动情况 和备用待机状况等情况下的热力性能和燃料耗量进行充分考 态特性，得到以下结论：（１）在对端部进行模态分析时，可将各 构件材料简化为各向同性，线棒可等效为均匀材料，只要确保 等效模型与实际线棒的弯曲刚度和质量相同即可。（２）建立了 定子端部精细有限元模型，数值计算得到的椭圆模态、三瓣模 态及其固有频率与实测结果吻合较好，表明建立的有限元模型 合理，可以作为进一步分析的基本模型。 ［参考文献］ 燃气轮机联合循环机组的发电原理：具有高温加热优势的 燃气轮机循环系统将大量来自大气的空气进行过滤，然后将压 图４（ａ）所示，图２的模态与图４（ａ）显示的模态很类似；而对比 图３和图４（ｂ）可见，二者显示的模态也很类似，而且数值模拟 得到的模态结果和试验法得到的模态固有频率误差在５％ 之内。 ２ Ｅ１］ＤＬ／Ｔ７３５－２０００大型汽轮发电机定子绕组端部动态特性的 测量及评定Ｅｓ］ ［２］胡字达．大型汽轮发电机定子端部绕组整体结构的电磁振动 口］．中国电机工程学报，２００３，２３（７）：９３￣９８，１１６ Ｅ３］王益轩，朱继梅．大型汽轮发电机定子端部绕组的动态仿真模 （ａ）ｆ＝８３．２６８ Ｉ－Ｉｚ 型［刀．机械工程学报，２００５，４１（９）：２１７￣２２２ ［４］陈伟梁．大型汽轮发电机定子绕组端部振动分析ｌ－Ｄ］．杭州：浙 江大学，２００８ 图４定子端部绕组模态试验结果 由数值模拟结果和实测结果比较可知，２个结果基本吻合， 从而说明物理模型的简化还是相对比较合理的。因而这个模 型可以作为该汽轮发电机定子端部绕组振动特性分析的基本 模型，为各种有限元结构分析提供依据。 ３结论 收稿日期：２０１３—０７—０２ 本文针对某大型汽轮发电机定子励端绕组，利用ＡＮＳＹＳ 有限元软件，建立精细的有限元模型，数值模拟研究端部的模 作者简介：吴疆（１９８９～），女，内蒙古鄂尔多斯人，在读硕士研 究生，研究方向：状态监测与故障诊断。 机电信息２０１３年第３０期总第３８４期１２９
