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1、引言

隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增大，定子繞組端部所受的交變電動(dòng)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(chǎng)相互作用所產(chǎn)生，是一個(gè)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(dòng)力的徑向分量是引起繞組端部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要激勵(lì)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(shí)，造成共振的危險(xiǎn)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(jī)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(dòng)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(yùn)行中就可能因共振磨損大而引發(fā)事故的發(fā)生，往往機(jī)組投運(yùn)后不久就會(huì)出現(xiàn)端部絕緣的磨損現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致定子繞組松動(dòng)、絕緣磨損、引水管破裂、漏氫、漏水，甚至造成機(jī)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(shí)端部結(jié)構(gòu)測(cè)試合格的發(fā)電機(jī)，運(yùn)行一段時(shí)間后可能會(huì)發(fā)生變化，逐漸發(fā)生松動(dòng)，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(dòng)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(dòng)特性，對(duì)保證機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要的意義。

定子繞組端部停機(jī)檢修

2 模態(tài)試驗(yàn)分析

模態(tài)是線性時(shí)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(guò)模態(tài)測(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)及危害。

模態(tài)試驗(yàn)就是通過(guò)試驗(yàn)方法得到機(jī)械結(jié)構(gòu)在沖擊h(t)作用下的響應(yīng)H(ω)，構(gòu)造出機(jī)械結(jié)構(gòu)特性的頻響函數(shù)矩陣，然后對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率、阻尼及振型進(jìn)行識(shí)別。對(duì)某機(jī)械結(jié)構(gòu)，在k 點(diǎn)作用單位力時(shí)，在i點(diǎn)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(dòng)響應(yīng)、頻率響應(yīng)矩陣和激振力，根據(jù)動(dòng)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(dá)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(cè)量頻響函數(shù)矩陣中的一行或一列即可。可通過(guò)三種方法得到結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)矩陣進(jìn)而獲取模態(tài)參數(shù)：a）一點(diǎn)測(cè)量、多點(diǎn)激勵(lì)SIMO，即可得到頻響函數(shù)中的一行；b）一點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)測(cè)量MISO，即可得到頻響函數(shù)的一列；c）也可以進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)響應(yīng)測(cè)量MIMO法。

根據(jù)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組模態(tài)相關(guān)測(cè)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(cè)試方案，即固定多個(gè)點(diǎn)測(cè)量響應(yīng)（設(shè)置多個(gè)參考點(diǎn)，防止遺漏模態(tài)信息），而順序?qū)λ袦y(cè)點(diǎn)激勵(lì)。

漢航NTS.LAB模態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)支持錘擊法、激振器法、OMA工作模態(tài)等模態(tài)測(cè)試方法，依據(jù)測(cè)量到的FRF數(shù)據(jù)、時(shí)域或PSD數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的識(shí)別方法獲取發(fā)電機(jī)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(yàn)案例

為防止定子線棒在運(yùn)行過(guò)程中因松動(dòng)造成絕緣磨損等問(wèn)題，在停機(jī)檢修期間需要對(duì)繞組端部松動(dòng)和磨損進(jìn)行外觀檢查以及相應(yīng)的振動(dòng)特性試驗(yàn)工作，其中就包括定子端部繞組的模態(tài)試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)對(duì)象為350MW、額定轉(zhuǎn)速為3000rpm的汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部，繞組端部是一個(gè)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(yàn)是通過(guò)測(cè)定整體的振型、頻率，以判定發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)是否會(huì)發(fā)生共振危害。

汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)

在定子繞組端部相同內(nèi)徑的部位布置測(cè)點(diǎn)，每隔兩個(gè)線棒布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，繞組端部的鼻端布置共計(jì)27個(gè)測(cè)點(diǎn)，如下圖所示。

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

 發(fā)電機(jī)定子繞組端部模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)采用錘擊法（寬帶隨機(jī)激勵(lì)）進(jìn)行測(cè)試，即移動(dòng)力錘激振，多點(diǎn)響應(yīng)的方法。在激振的同時(shí)測(cè)量激振力和響應(yīng)信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)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(tái)中分析，利用多參考點(diǎn)更小二乘復(fù)頻域法（polyLSCF）及更大似然估計(jì)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)

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(jì)和運(yùn)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(huì)在發(fā)電機(jī)端部形成較大的共振。

4 總結(jié)

發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)固有頻率等模態(tài)參數(shù)了解發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)，對(duì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)檢查試驗(yàn)的必做項(xiàng)目。

漢航NTS.LAB EMA模態(tài)測(cè)試分析模塊支持多種高精度模態(tài)參數(shù)識(shí)別分析算法，如SDOF單自由度、MDOF多自由度分析、多參考點(diǎn)更小二乘復(fù)指數(shù)法（polyLSCE）、多參考點(diǎn)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(jì)（MLE）剔除噪聲數(shù)據(jù)影響，獲得可靠的模態(tài)測(cè)試結(jié)果，為定子繞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、故障診斷提供可靠的參考依據(jù)。