一种用于确定大型汽轮发动机基座动力特性的方法与流程

本发明涉及电网减灾技术领域，并且更具体地，涉及一种用于确定大型汽轮发动机基座动力特性的方法。

背景技术：

大型汽轮发电机基座为钢筋混凝土框架结构，其主要作用是为汽轮发电机以及附属构件提供支撑和容纳空间。由于汽轮发电机本体在运行过程中会对基座产生动荷载，使得基座在服役期间受到长期的强迫振动激励，因此基座本体动力特性直接关系到大型汽轮发电机组安全和平稳运行。

汽轮发电机运行过程中必须满足相关的国标和国际标准要求，比如《动力机器基础设计规范》(GB50040—96)的要求，国际标准《Mechanical vibration—Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotation pats----Part 2:Large land-based steam turbine generator sets in excess of 50MW(在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动第二部分：50MW以上陆地安装的大型汽轮发电机组)》(ISO10816—2：2006)等，因此中对大型汽轮发电机基座的动力特性研究非常必要。

由于大型汽轮发电机组装机容量(1000MW、600MW等)、生产厂家、高温蒸汽工作温度(超临界、超超临界等)、冷凝方式(风冷、水冷)、机组类型(火电机组、水电机组或者核电机组)的差别，因此大型汽轮发电机基座会有各种各样的形式和设计特点，从而使基座的动力特性与汽轮发电机的特点相适应，避免在汽轮发电机机组启动和运行过程中基座振动符合相关的规范和设计目标要求。

常规大型汽轮发电机基座设计采用弹性理论假设与构件简化分析方法通过计算机仿真的方式研究基座动力特性，然而为了更加合理准确研究、减少计算误差，有必要开展基座动力特性试验研究。但是大型汽轮发电机基座尺寸和重量非常大，无法采用原型。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于确定大型汽轮发动机基座动力特性的方法，所述方法包括：

根据基座原型和基座模型的几何相似比制作基座模型；

根据所述基座原型的荷载布置图和相似关系将荷载分布图所指定的荷载大小和位置布置在所述基座模型上；

在所述基座模型上布置试验用测点；

对所述基座模型有设备重工况进行自振特性的振动试验及响应预测；以及

用原点激振测试方法测试结构扰力作用点X、Y、Z三个方向的动刚度；以及

建立模态模型并利用模态模型参数验证对试验结果的正确性进行验证。

优选地，其中所述自振特性包括：自振频率、阻尼比和振型。

优选地，其中所述响应预测包括：各测点的振动线位移和幅频曲线。

优选地，其中所述振动试验采用纯随机激励方法将力信号及各测点响应信号分别由力传感器及加速度传感器采集并传输到动态信号分析仪并通过傅立叶变换得到传递函数，并用数值方法得到与实测的传递函数曲线相吻合的拟合曲线，以求得相应的模态参数。

优选地，其中采用平均技术将得到的多组激励点处的传递函数进行平均，以减少响应信号中不相关噪声的影响。

本发明的有益效果在于：

本发明采用模型试验替代原型来进行代行汽轮发电机基座动力特性试验研究，并且通过相似比换算关系将模型试验的结果换算回原型中，从而间接获得基座原型的动力特性试验结果。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的试验测试流程的结构示意图；

图3为根据本发明实施方式的模型试验分析过程的结构示意图；以及

图4为根据本发明实施方式的迭代过程的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明采用模型试验替代原型来进行代行汽轮发电机基座动力特性试验研究，并且通过相似比换算关系将模型试验的结果换算回原型中，从而间接获得基座原型的动力特性试验结果。其中，设计迭代过程中除了采用计算机仿真方式之外无法通过原型试验方式研究汽轮发电机基座的动力特性。

图1为根据本发明实施方式的方法100的流程图。如图1所示，所述方法100的流程图从步骤101处开始，在步骤101据基座原型和基座模型的几何相似比制作基座模型。本发明中所制作的基座模型结构型式与原型完全一样，根据原型的尺寸大小与试验场地条件、试验成本预算等因素确定模型与原型的几何相似比，在同等条件下几何相似比尽量取大一点这样的试验结果更为准确。设计基座采用的砼型号与原型一致，这就保证了模型与原型的弹性模量和质量密度相似比均为1:1。表1为基座原型与基座模型的比例相似关系。根据以上确定的相似比并且参考表1的基座原型与基座模型的比例相似关系可以推导出基座模型与基座原型的其它量纲相似比。可以参照表1来进行汽轮发电机基座的设计以及在模型试验后将模型试验数据换算到原型的过程中。

表1基座原型与基座模型的比例相似关系

根据基座模型与基座原型几何相似比、弹性模量相似比、质量密度相似比以及推导出来的其它量纲相似比关系，对大型汽轮发电机基座试验比例模型进行设计(结构相同，混凝土梁柱尺寸以及配筋满足相似比关系)与制作。同时根据模型制作中分不同阶段保留的标准立方体强度试块，保证模型砼的实际强度达到设计要求。

优选地，在步骤102根据所述基座原型的荷载布置图和相似关系将荷载分布图所指定的荷载大小和位置布置在所述基座模型上。其中，在基座模型养护期后，按照设备厂家提供的设备荷载布置图，用铸铁模拟设备的重量，并按相似比关系及设备厂家提供的荷载分布图所指定的荷载大小、位置布置在所述基座模型上。

优选地，在步骤103在所述基座模型上布置试验用测点。所述测点布置的原则为：测点数目足以完整反映结构的动力特性；测点对应于计算模型中的节点，以便于理论计算与实测结果的对比研究；以及根据以往经验，在条件允许的情况下在关键点处适当增加测点。

优选地，在步骤104对所述基座模型有设备重工况进行自振特性的振动试验及响应预测。优选地，其中所述自振特性包括：自振频率、阻尼比和振型。优选地，其中所述响应预测包括：各测点的振动线位移和幅频曲线。模型试验主要采用纯随机激励方法进行激励，信号源是纯随机激振信号，由激振器进行激振。激振点的选择原则上不能是振动的节点，且激振的能量应尽可能使整个基础均等。图2为根据本发明实施方式的试验测试流程的结构示意图。如图2所示，测试流程为：由动态信号分析仪输出纯随机激振信号，通过功率放大器传递到激振器，激振力作用在被测结构上，其力信号及各测点响应信号分别由力传感器及加速度传感器采集并传输到动态信号分析仪，通过傅立叶变换得到用来后续分析的传递函数。

优选地，其中采用平均技术将得到的多组激励点处的传递函数进行平均，以减少响应信号中不相关噪声的影响。在试验中为了提高测试精度，采用平均技术，即在激励点处进行连续的激振，得到多组传递函数然后进行平均，得到总体平均的传递函数。平均法可以减少响应信号中不相关的噪声影响。此外，对于里信号和响应信号均添加汉宁窗。通过加窗处理，可大大地减少泄露误差，从而提高了测试精度。另外，试验中中使用的DP730动态信号分析仪具有很高的分析谱线，采用了12800条谱线，当分析带宽取3200Hz时，频谱的分析步长达到了0.25Hz，大大提高了模态的分辨率。

优选地，在步骤105用原点激振测试方法测试结构扰力作用点X、Y、Z三个方向的动刚度。

优选地，在步骤106建立模态模型并利用模态模型参数验证对试验结果的正确性进行验证。通过对随机激振力和响应信号进行频谱分析，得到传递函数：

H(ω)＝S_FX(ω)/S_FF(ω) (1-1)

其中，SFX(ω)为互功率谱，SFF(ω)为自功率谱，ω为圆频率。对于线性多自由度振动系统，当模态质量阵为单位阵时，H(ω)还可表示为:

其中，ψ_lr，ψ_mr分别表示为l，m两点的r阶模态振型；ω_r为r阶圆频率；ξ_r为r阶模态阻尼；所述公式(1-2)的含义为在m点作用单位力，在l点引起的响应。H_lm(ω)组成了n阶方阵[_Hlm(ω)]，称为传递函数矩阵。对于线性系统，有H_lm(ω)＝H_ml(ω)，称之为线性系统的互易性。上述公式可知H_lm(ω)包含了振动系统的固有特征，从H_lm(ω)的定义可知，只要知道传递函数矩阵[H_lm(ω)]中的一行或一列，就能获得结构的全部模态参数。

图3为根据本发明实施方式的模型试验分析过程的结构示意图。如图3所示，通过采集到的模型测点响应信号以及激励点的激励信号可以获得各测点的频响曲线，然后通过模态分析软件进行模态分析获得模型结构的前几阶固有频率以及相应的阻尼比和振型图。在此基础的扰力点上施加扰力荷载，进行强迫振动响应分析可以获得汽机模型在扰力作用下的响应曲线，继而通过原型模型换算关系获得原型测点的振动响应，继而对汽机原型的评价提供数据。

传递函数表示的是激振点的激振力和测量点响应的关系，这种关系可用公式(1-2)中的各个模态参数来描述。模态参数识别就是用数值方法得到与实测的传递函数曲线相吻合的拟合曲线，以求得相应的模态参数。

考察拟合频率段的传递函数，数学模型可以写为：

其中，为低频段模态的影响项，Z_lm为高频段模态的影响项。写成矩阵形式有：

也可以写成如下形式：

H＝TA，

设传递函数的测量数据和用模态参数表示的解析式的误差为：

E＝H-TA (1-4)

则方差可表示为：

ε＝E^TE＝{H-TA}^T{H-TA} (1-5)

如果将影响传递函数测量数据可靠性因素考虑进去，可以引入加权矩阵W，可得到：

ε＝E^TE＝{H-TA}^TW{H-TA} (1-6)

其中，W通常是只有对角项(而非对角项均为0)，分别为频率ω₁，ω₂，……，ω_m时的传递函数的加权矩阵。为使方差最小，将其对A偏积分，并令其为零，最后求得模态参数A。

得到：

A＝[T^TWT]^-1T^TWH (1-8)

若给定传递函数解析式中的非线性模态参数ω_r、ξ_r，则由(1-8)式就可算出剩下的线性模态参数Y_lm、r_lm、Z_lm，因此，为了求出全部模态参数，需要按图3进行反复计算。即：

首先，根据已测出的传递函数测量数据，给定ω_r和ξ_r的初始值。在给定初始值时，可使用单自由度法。其次，由式(1-8)算出其余的模态参数；根据这一阶段算出的全部模态，计算式(1-6)的方差；再将ω_r和ξ_r作少量的变化，例如百分之几；利用其变化值计算方差，寻求减小了方差的、新的ω_r和ξ_r；然后，再利用此新的ω_r、ξ_r值，计算其余的模态参数，反复进行运算，直至达到满足误差收敛要求为止。图4为根据本发明实施方式的迭代过程的流程图。

模态模型验证可以对模态参数估计所得结果的正确性进行检验，并对模态参数估计进行指导。其中MAC(模态判定准则)是比较能说明问题的数学工具，它可以用来表示各估计模态的正确性。假定{ψ_r}和{ψ_s}是两个长度相同的向量，那么MAC可以定义为：

如果MAC是1，那么这两个向量按某一比例因子是完全相同的，如果MAC是0，则两个向量之间不存在线性关系。

在比例阻尼情况下，将质量或刚度矩阵作为加权矩阵引入式(1-9)式，那么不同模态之间的MAC是0。然而在实验模态分析中，质量矩阵是未知的，而且实际阻尼也往往不完全是比例阻尼。不过如果阻尼的非比例性对正交条件影响比较小的话，那么不同模态之间的MAC也应该很小。所以非常理想的MAC阵应是对角线上的值为1，非对角线上的值为0，当然实际上的测试结果很难达到。

MAC的指导作用反映在以下方面：

在实验模态分析中，如果两个模态频率相近，其MAC值高(比如说>35％)：这表明，至少结构上有两部分其模态相似。要从结构和响应传感器的安装位置看看这是否可能。如果这两个模态频率很接近，那么问题在于：是否实际上就存在两个模态？是否由于测量中间微小的频率偏移致使估计过程产生了两个模态？

频率相差悬殊的两个不同模态的估计之间的MAC值高，这种现象强烈表明试验设置破坏了可观测性的基本假设：测点数量不足或安装位置不当致使产生了两个相似模态，其结果使结构的未测部分振动形式发生变异。

另外在模态分析中还可用模态超复杂性值进行真、伪模态的判断。所谓模态超复杂性值是频率灵敏度为负值的响应自由度所占的(加权)百分比。

具体地，根据灵武电厂二期工程1000MW汽轮发电机组基座模型进行试验。宁夏灵武电厂二期工程1000MW超超临界汽轮发电机组采用东方汽轮机有限责任公司设计生产的汽轮机及东方发电机有限公司生产的发电机，基础由西北电力设计院设计，基础采用弹簧隔振基础。为了为基座设计提供参考，采用模型试验来研究其汽轮发电机基座的动力特性。表2为根据模型试验得到的自振频率，其中前10阶已换算到原型。表3为基础原型设备安装后三个方向的自振频率及阻尼比。表2和表3分别为通过模型试验以及基座原型施工完成后的原型动力测试所得1000MW超超临界汽轮发电机基座各方向前十阶固有频率对比，从表中数据对比可以看出，模型试验的结果与原型实测的结果相近，模型试验很好模拟原型的相关动力特性，是一种适用和具有重要参考价值的研究手段。

表2模型试验得到的自振频率(Hz)

表3基础原型设备安装后三个方向的自振频率及阻尼比(实测)

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。