周瑜 李敬豪

1.大唐南京發(fā)電廠 江蘇南京 210023；2.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院 安徽合肥 230088

火電機(jī)組作為調(diào)峰機(jī)組承擔(dān)越來(lái)越重的調(diào)峰任務(wù)，在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組按照電網(wǎng)調(diào)度命令超常規(guī)調(diào)峰，負(fù)荷低于50%的調(diào)峰頻次和時(shí)間不斷加長(zhǎng)，30%～35%的深度調(diào)峰也逐漸成為低峰時(shí)段的運(yùn)行新常態(tài)，使得凝泵變頻運(yùn)行的轉(zhuǎn)速不斷下探，導(dǎo)致凝泵低頻運(yùn)行工況下的振動(dòng)問(wèn)題日益突出[1-2]。由于凝泵泵體軸系較長(zhǎng)，凝泵等立式水泵電機(jī)上部所反映的振動(dòng)一般僅為泵軸底部葉輪、口環(huán)等處振動(dòng)的1/5～1/4。因此，當(dāng)我們測(cè)量凝泵電機(jī)上部振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，其泵軸下部振動(dòng)將呈倍數(shù)關(guān)系的放大，振動(dòng)超標(biāo)的情況下長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致軸承、葉輪等部分偏磨等故障，嚴(yán)重時(shí)可能造成泵軸彎曲、機(jī)組跳閘等惡性事故[3-5]。

1 共振響應(yīng)機(jī)理

1.1 降振原理

降振就是在振源和設(shè)備或其他物體之間用彈性或阻尼裝置連接，使振源產(chǎn)生的大部分能量由降振裝置吸收，以減小振源對(duì)設(shè)備的干擾。降振可分為兩類：一類為主動(dòng)降振，另一類為被動(dòng)降振。

主動(dòng)降振系數(shù)η=降振后傳到地基的力的幅值/降振前傳到地基的力的幅值

被動(dòng)降振系數(shù)η=降振后被降振物體的位移幅值/底座的位移幅值

通過(guò)單自由度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，可以得到降振系數(shù)(以主動(dòng)降振系數(shù)為例)：

計(jì)算F1的模的幅值F1m，可以得到：

(1)

(2)

通過(guò)推導(dǎo)可知，當(dāng)振源為簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí)，被動(dòng)降振系數(shù)和主動(dòng)降振系數(shù)表達(dá)式相同。

1.2 降振器設(shè)計(jì)原則分析

在matlab中將式(21)進(jìn)行迭代求解，阻尼比ζ分別取0.05、0.1、0.25、0.375、0.5、1.0，從而得到降振系數(shù)隨阻尼比ζ和頻率比s的變化曲線，如圖1所示。

圖1 降振系數(shù)的變化規(guī)律

對(duì)立式凝泵的頂部電機(jī)而言，對(duì)于因不平衡和共振引發(fā)的振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，均屬于受迫振動(dòng)范疇，即響應(yīng)頻率由激振力頻率決定，因此，可通過(guò)振動(dòng)問(wèn)題最突出時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩玫郊ふ窳︻l率，進(jìn)一步可以得到降振器的設(shè)計(jì)固有頻率范圍[9]。

2 凝泵殼體有限元數(shù)值模擬

2.1 凝泵殼體模型建立

根據(jù)圖紙相關(guān)尺寸，用PROE建立凝結(jié)水泵的三維模型，在盡量真實(shí)模擬凝結(jié)水泵的剛度、質(zhì)量分布的前提下，在建模和有限元分析計(jì)算過(guò)程中，對(duì)其內(nèi)部的一些結(jié)構(gòu)、連接進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化。根據(jù)凝結(jié)水泵實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立三維模型，上半部分為電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)，下半部為凝結(jié)水泵殼體，兩者通過(guò)螺栓連接，螺栓連接處為電機(jī)轉(zhuǎn)子與凝泵轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器部分。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在不影響計(jì)算精度的前提下，做一些適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化是必要的。一則可以減少許多煩瑣的工作，大大減少工作量，再則可以縮短設(shè)計(jì)周期，為進(jìn)一步改善設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下先將殼體的部分結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)以及螺栓連接部位進(jìn)行簡(jiǎn)化和假定，主要的簡(jiǎn)化和假定有：

(1)泵體采用螺栓連接的地方視為剛性連接。

(2)基礎(chǔ)板與地基連接螺栓處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束，入水口、出水口在法蘭連接處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束。

(3)考慮到電機(jī)、泵體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將其在重心處分別視為集中質(zhì)量，電機(jī)和泵體采用剛性連接。

簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖2 凝結(jié)水泵殼體模型

2.2 凝結(jié)水泵殼體模態(tài)分析

凝泵低頻振動(dòng)主要由于結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致，首先對(duì)殼體進(jìn)行模態(tài)分析，將殼體單元選為上述的SHELL63單元模型，材料為鋼材，彈性模量為2*1011PA，材料密度為7800kg/m3，泊松比為0.3。確定殼體前2階固有頻率以及共振高點(diǎn)位置。如圖3和圖4所示。

圖3 凝結(jié)水泵殼體前2階模態(tài)振型

圖4 凝結(jié)水泵殼體前2階模態(tài)振型

表1 殼體前六階固有頻率

2.3 彈簧阻尼振動(dòng)分析

現(xiàn)對(duì)電機(jī)殼體四周分別加入自適應(yīng)彈簧阻尼單元如圖5所示。本次使用的彈簧單元為COMBIN14彈簧單元，該單元具有1維、2維或3維應(yīng)用中的軸向或扭轉(zhuǎn)的性能。軸向的彈簧-阻尼器選項(xiàng)是1維的拉伸或壓縮單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度：X、Y、Z的移動(dòng)。加入質(zhì)量M=40kg，剛度K=651770N/M，阻尼C=400N*S/M彈簧阻尼系統(tǒng)后對(duì)凝泵殼體進(jìn)行瞬態(tài)分析。依次選擇相同節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)如圖6至圖9所示。

圖5 施加彈簧阻尼器

圖6 未加彈簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM節(jié)點(diǎn)偏移

圖7 未加彈簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM應(yīng)力值

圖8 加入彈簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM節(jié)點(diǎn)偏移

圖9 加入彈簧阻尼500MM、1000MM、1500MM、2000MM應(yīng)力值

可以看出，在未加入彈簧阻尼系統(tǒng)，距離底座500MM的節(jié)點(diǎn)偏移量以及單元應(yīng)力值最低，從低到高依次增大，2000MM的節(jié)點(diǎn)偏移量、單元應(yīng)力值最高。加入彈簧阻尼單元后起到了明顯抑制效果，X向的振動(dòng)響應(yīng)最大值由0.82×10-3M降至0.2×10-4M，峰值降幅達(dá)75.6%。節(jié)點(diǎn)的偏移和應(yīng)力值會(huì)有衰減趨勢(shì)，應(yīng)力幅值從860N降低到140N。結(jié)果表明，加入自適應(yīng)彈簧阻尼系統(tǒng)起到了明顯的振動(dòng)抑制作用。

阻尼系數(shù)作為自適應(yīng)彈簧系統(tǒng)的自變量，在對(duì)彈簧系統(tǒng)的阻尼選取對(duì)振動(dòng)影響尤為重要，選定1000MM位置作為基準(zhǔn)位置，現(xiàn)選取100N*S/M至550N*S/M阻尼系數(shù)，間隔為50N*S/M，取不同的阻尼系數(shù)觀察阻尼對(duì)凝泵殼體應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)偏移量的影響。

圖10 阻尼—應(yīng)力關(guān)系曲線圖

圖11 阻尼—節(jié)點(diǎn)偏移關(guān)系曲線圖

由圖10和圖11可以看出，阻尼的改變對(duì)凝結(jié)水泵振動(dòng)響應(yīng)有明顯的影響，阻尼越大對(duì)振動(dòng)的抑制作用越明顯，阻尼的影響效果隨阻尼的增大而減小，當(dāng)阻尼系數(shù)增大到一定數(shù)值時(shí)，阻尼對(duì)振動(dòng)影響基本為零。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

針對(duì)某發(fā)電廠1000MW機(jī)組凝結(jié)水泵，進(jìn)行無(wú)支撐、強(qiáng)支撐和自適應(yīng)彈簧支撐方式下的振動(dòng)測(cè)試，包含各支撐條件下的凝泵全轉(zhuǎn)速過(guò)程中振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，從而進(jìn)行凝結(jié)水泵各種支撐條件下的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比，評(píng)價(jià)自適應(yīng)彈簧系統(tǒng)對(duì)立式旋轉(zhuǎn)機(jī)械的降振效果。

對(duì)比B凝泵在無(wú)水平支撐、剛性支撐、彈簧阻尼支撐條件下的振動(dòng)情況分析，支撐條件改變后，凝泵臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間及共振峰值均發(fā)生了明顯變化。

表2 不同支撐條件下凝泵振動(dòng)情況

從表2可以看出，在無(wú)支撐條件下，凝泵共振轉(zhuǎn)速約為1060RPM振動(dòng)幅值達(dá)到了180μM；在剛性支撐條件下凝泵共振轉(zhuǎn)速得到明顯提升到1100RPM，振動(dòng)峰值降低約70μM；在彈性支撐條件下，凝泵共振轉(zhuǎn)速進(jìn)一步得到提升，達(dá)到1271RPM，處于機(jī)組常用變頻區(qū)間之外，且振動(dòng)峰值降至約40μM，滿足凝泵變頻調(diào)節(jié)要求。

通過(guò)試驗(yàn)比較，自適應(yīng)彈簧阻尼支撐系統(tǒng)對(duì)降低立式凝泵電機(jī)上部振動(dòng)具有良好的效果，其主要原因體現(xiàn)在三個(gè)方面：

(1)相對(duì)于無(wú)支撐條件，彈簧阻尼支撐可有效提高凝泵電機(jī)上部各方向上的支撐剛度，在相同的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)激振力下，產(chǎn)生更小的振動(dòng)幅值響應(yīng)。

(2)相對(duì)于剛性支撐條件，彈性阻尼支撐可通過(guò)彈簧形變量的大小量化支撐預(yù)緊力，從而有效避免剛性支撐預(yù)緊力偏差導(dǎo)致的電機(jī)軸承、轉(zhuǎn)子中心的偏差，避免因中心偏移造成的不平衡激振力，同時(shí)可以有效避免泵與電機(jī)軸承的偏磨。

(3)基于彈簧阻尼支撐系統(tǒng)的立式凝泵系統(tǒng)，其支撐剛度隨位移條件發(fā)生改變時(shí)自適應(yīng)發(fā)生改變，從而使凝泵共振轉(zhuǎn)速較無(wú)支撐條件得到明顯提升，在加強(qiáng)預(yù)緊力的條件下，有可能使共振轉(zhuǎn)速超過(guò)凝泵實(shí)際運(yùn)行變頻區(qū)間。

結(jié)語(yǔ)

基于彈簧阻尼支撐系統(tǒng)的立式凝泵系統(tǒng)，其支撐剛度隨位移條件發(fā)生改變時(shí)自適應(yīng)發(fā)生改變，從而使凝泵共振轉(zhuǎn)速較無(wú)支撐條件得到明顯提升，在加強(qiáng)預(yù)緊力的條件下，有可能使共振轉(zhuǎn)速超過(guò)凝泵實(shí)際運(yùn)行變頻區(qū)間，有效解決凝泵變頻調(diào)節(jié)下結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題。