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西门子如何解决发电机转子二阶模态时同步振动不稳定问题
2017-11-27 09:18:52   来源:   评论:0 点击:

注:论文内容较多,为此分为上下两期本文第一作者是Max M. L’vov,西门子西屋动力公司的工程师;第二作者是Edgar J. Gunter, Gu...

注:论文内容较多,为此分为上下两期

 

本文第一作者是Max M. L’vov,西门子西屋动力公司的工程师;第二作者是Edgar J. Gunter, Gunter教授在转子动力学领域可谓造诣极高。小编随便一查,发现在美国弗吉尼亚大学官方网站中教授页面(http://www.virginia.edu/registrar/records/03-04ugradrec/chapter15/chapter15.htm)中显示Edgar J. Gunter, B.S., M.S., Ph.D., Professor Emeritus of Mechanical Engineering。 

 

Gunter是转子动力学界的泰斗级人物,在转子动力学和轴承领域从事研究和工程咨询近50年,发表超过150篇论文和多本学术专著,他还是弗吉尼亚大学机械航空核能学院荣誉教授。 DyRoBeS在NASA宇航推进方面的广泛应用与合作也是在Gunter博士主导下进行,目前他仍活跃在工程界。

 

摘要:西门子公司的某发电机转子带有悬臂结构,该转子在高速动平衡设备进行升速和降速试验时发现,在3600rpm时转子振动明显增大,在二阶模态时幅值存在明显滞后。而这种动力学问题在发电机转子实际现场运行时或将引发过大振动。

 

通过DyRoBeS软件对转子-轴承-支承系统进行建模,研究发电机转子在动平衡设备上的动力学特性,开展了临界转速、不平衡响应和阻尼特征分析工作,对转子二阶模态时的动能和应变能(也有人称势能)分析发现,转子二阶模态的动能超过78%,这与转子外悬臂有关。分析表明,当转子工作在3600rpm,也就是二、三阶模态之间时,由于模态振型和弱阻尼的共同作用,将导致这种悬臂发电机转子振动增大。因此,轴承处的振动将增大,当转子减速通过二阶模态时,联结处将产生过大的振动。

 

通过增加耦合约束来修改模型,以表征动平衡设备上转子的真实工作条件。二阶临界转速将远离工作转速范围,这一点也得到了现场试验的证实。目前,两台发电机转子已通过动平衡试验考核,并且工作状态下的振动水平良好。

 

该文章旨在指出如何利用DyRoBeS软件进行转子动力学分析,来帮助解释异常的转子动力学特征,并且保证实际工作时该转子的振动特性不会受到影响。

 

问题描述

 

一个小型的50MW的发电机转子在动平衡时出现了一些异常的动力学表现。图1是转子在高速动平衡设备上的情景。试验时,在短短几分钟内转子的振动迅速增加,最高幅值达到不可接受的水平。转子升速及降速时的表现如下图所示,其中图2是测试中内侧的传感器采到的相频和幅频曲线,图3是外侧的传感器采到的相频和幅频曲线(也叫伯德图)。

 

转子在降速过程中在2阶临界转速处振动达到最大。每次动平衡试验时都会出现这种现象,2阶幅值都是在降速过程中从3600rpm开始较大,降低到3000rpm左右时幅值最大,而如此大的振幅是发生在转速下降段,而不是上升段。

 

 

 

 

利用DyRoBeS软件对发电机转子进行动力学分析

 

利用DyRoBeS软件对转子进行建模,如图4所示,将对该转子进行临界转速、模态振型、不平衡响应、动能分布及应变能分布计算

 

 

该转子采用椭圆瓦滑动轴承,在滑动轴承设计阶段就将轴承的特性(比如轴承的刚度、阻尼八参数以及其他需要计算的参数)计算好,图5是利用DyRoBeS软件分析3600rpm时椭圆瓦滑动轴承的压力分布图。然后将轴承参数直接加载到模型中。与实际支承情况一致,软件边界条件中采用了刚度已知的柔性支承,如图4。

 

 

对发电机转子进行一些模型简化处理,将引起临界转速计算值与实测值存在小幅偏差,但对于工程实际来讲,这个计算值精度已足够。表1是计算值和实测临界转速值的比较,可以看到一阶临界转速计算值与实测值偏差6.12%,二阶临界转速偏差为4.66%,三阶临界转速偏差为3.28%,都还是比较小的,说明了模型简化的合理性和计算结果的准确性。

 

 

模态振型如图6~图8所示。可以看到2阶和3阶模态振型中,主要的运动发生在联结处(联轴器),也就是在图中最末端悬臂位置。我们知道,模态振型与不平衡响应分析不同,模态振型不代表振动幅值的实际大小,但是可以看出相对振动的情况。换言之,图7图8意味着过二阶临界转速时最末端悬臂位置的振动幅值会比较大。而图9则是在动平衡设备上不同的滑动轴承支承刚度下转子的一、二、三阶临界转速的大小和变化情况。实际的工作点也已经在图中用绿色的点标出,可见转子工作于二三阶临界转速之间。

 

 

 

 

图10和图11分别是转子升速到4320rpm的过程中内侧和外侧传感器采到的相频和幅频图,可以看出,内侧的传感器采到的曲线可以清晰看出一阶和三阶临界转速,而二阶临界转速不明显;而外侧的传感器采到的曲线可以清楚看出三个临界转速,相位和幅值均较为明显。

 

 

发电机转子-轴承-支承系统的能量分布

 

一阶模态振型下的动能分布和应变能分布(也有人叫势能分布)如图12~13所示,二阶模态振型下的动能分布和应变能分布如图14~15所示,三阶模态振型下的动能分布和应变能分布如图16~17所示。

 

对二阶模态振型的动能和应变能进行分析,图14可见超过78%的转子动能与悬臂端(文中为overhang)相关。图15可见二阶模态振型时转子的应变能为27.11%,两处滑动轴承处的应变能分别为6.02%和4.63%,而两处柔性支承承担了主要的应变能,分别为35.2%和27.05%。

 

 

 

 

三维图的阻尼特征值如图18和图19所示,图18为二阶临界转速时的转子各处的不平衡响应图(DyRoBeS软件中不平衡响应的计算结果可以单独表示也可播放动画连续表示,可以看出不同转速时转子各处的响应情况以及转子的涡动情况),图19为3600rpm转速下的转子不平衡响应三维图,可见大多数转子的运动发生在转子的端部。分析表明,当转子运行在3600转时,转子刚好处于二阶和三阶模态之间,而图7 和图8二、三阶模态振型中可以看出过二、三阶临界转速时,较大的振动发生在转子悬臂端,转子悬臂端的运动由于这两种模态振型而振动增大,并且可以看出二阶振型时的阻尼极小。结果,轴承处的振动加大,并且当转子减速通过二阶临界转速时,转子悬臂端---也就是联结处又是模态振型相对较大的位置,又带来了额外的振动,因此进一步恶化了转子的振动状况。

 

 

(未完待续……)

本文来源:DyRoBeS

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