某型汽轮发电机组公共底座模态分析及试验

岑黎明，郭大泉

（中船重工集团公司第704研究所，上海 200031）

某型汽轮发电机组公共底座模态分析及试验

岑黎明，郭大泉

（中船重工集团公司第704研究所，上海 200031）

对某船用汽轮发电机组公共底座进行了模态仿真分析，并进行了模态测试。测试结果与仿真分析结果达到了吻合，说明公共底座有限元建模方法可行，有限元模型满足工程精度要求，这为进一步分析整体汽轮发电机组动力特性奠定了基础。

汽轮发电机组公共底座；模态分析；试验

0 引言

某型汽轮发电机组为小功率机组，主要由汽轮机、发电机、公共底座及附属设备组成[1-2]。汽轮机、发电机及附属设备集成布置于公共底座上，公共底座通过隔振器弹性安装在船体上[3-4]。由于船用条件的特殊性，公共底座不仅要满足静力学强度和变形的要求，而且安装状态下公共底座的模态对工作频率要有一定的避开裕度，以防止公共底座局部振动放大。若发生局部耦合振动，不仅影响整个机组的振动，而且会通过安装机脚影响到船体振动。

本文对某型汽轮发电机组公共底座进行动力学建模和模态计算，并通过模态测试对计算结果进行了验证，为后续整体汽轮发电机组动力特性的分析奠定了基础。

1 基本理论

模态分析又称为结构的固有特性分析，用于确定结构的固有频率和振型，其分析结果可作为瞬态动力学、谐响应分析和谱分析等其他动力分析的基础。任何结构或部件都有固有频率和相应的模态振型，这些属于结构或部件自身的固有属性。模态分析的实质是计算结构振动特征方程的特征值和特征向量。

典型的无阻尼结构自由振动的运动方程如下：

式中：[M]为质量矩阵；[K]为刚度矩阵；[X˙˙]为加速度向量；[X˙]为位移向量

如果令：

则有：

代入运动方程，可得：

上式为结构振动的特征方程，模态分析就是计算该特征方程的特征值ω和特征向量[ω]。

2 公共底座有限元分析

2.1 公共底座有限元模型建立

公共底座采用框架式结构，用不同厚度的钢板焊接而成。因机组的特殊需求，底座后部需留有一个封闭的容积空间，为此底座后部上端用板焊接，下端采用法兰盖型式，用螺栓连接，以方便现场安装维修，见图1。

图1 公共底座示图

针对公共底座的这种结构特点，采用壳单元建立有限元模型是比较合适的。有限元模型做了适当的简化，去掉了前后两个耳朵状的限位器安装板。底座后部容积空间上下盖采用绑定接触固定。公共底座有限元模型如图2。

图2 公共底座有限元模型图

利用通用有限元软件分析底座的模态，约束状态为自由，材料密度7850kg/m³，泊松比0.3，弹性模量2.07GPa。

2.2 计算结果分析

计算了自由状态下公共底座前30阶模态，结果见表1。

表 公共底座前30阶模态

由于底座后部容积空间的上下盖板比较薄，盖板的局部模态较多（如图3所示），真正有益的是底座的整体模态 见表1）。去除局部模态后，底座的前6阶整体模态，如图4所示。

图3 公共底座上下盖的局部模态

3 公共底座试验分析

3.1 试验边界条件及测试仪器

对公共机座进行了模态测试，验证有限元仿真结果的正确性。

为模拟自由边界条件，公共底座采用4只KA-800橡胶隔振器支撑。支撑系统的最低阶垂向刚体模态频率为7.4Hz，而根据分析结果，公共底座一阶结构模态频率约为90Hz，支撑系统频率远远小于公共底座一阶固有频率，支撑状态能模拟自由—自由状态。

图4 不同弯曲振型下的整体模态图

测试设备采用LMSSCM09多通道信号分析仪，加速度传感器采用型号B&K4513B，激振器型号V406，力传感器型号1051V5。

3.2 测点布置

公共底座模态试验模型如图5所示，图中建立了与底座实际尺寸结构一致的完整模型，共计150个振动加速度响应测量点。试验中，通过激振器对机架进行垂向激励，获取机架垂向(Z向)模态频率、模态振型等相关模态信息。

图5 公共底座模态试验模型

公共底座模态试验模型具体测点布置如图6、7所 ，其中图6为底座上层测点布置示意图，图7为底座下层测点布置示意图。

图6 公共底座试验模型上层测点布置图

图7 公共底座试验模型下层测点布置图

3.3 测试结果

公共底座模态测试结果如表2所示，各阶模态振型如图8所示。

3.4 对比分析

将有限元仿真分析结果同测试结果进行比较，结果见表3。经分析知，底座模态第一阶分析结果误差0.3%；第二阶分析结果误差4.6%；第三阶分析结果误差4%；第四阶分析结果误差0.5%；第五阶分析结果误差1.2%。前五阶的模态频率和振型计算结果与测试结果吻合较好，第六阶计算结果误差较大。

究其原因，在公共底座模态测试时，传感器布置在垂向一个方向，通过激振器进行垂向激励，对于横向的振动响应无法捕捉。而仿真计算结果显示，公共底座的第六阶模态正是横向弯曲振动，因此，两者出现较大的误差。再者由于只仿真计算了前 30阶的模态，第六阶测试模态388.4Hz超出了计算结果范围，仿真结果中无法显示对应的模态结果。

表2 公共底座模态测试结果汇总

图8 公共底座在不同阶的测试模态

表3 仿真计算与测试模态结果对比

4 结语

综上，测试结果和仿真分析结果能很好吻合，说明虽经简化处理，公共底座的有限元模型能完全满足工程分析要求，这为后续整体汽轮发电机组动力特性的分析奠定了基础。

[1] 郑兆昌. 机械振动[M]. 北京: 机械工业出版社, 1980.

[2] 蒋传漪. 振动测试和分析[M]. 北京: 人民铁道出版社, 1979.

[3] 尚晓江. ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2005.

Modal Analysis and Test on Pedestal of Steam-Turbine Generator Set

CEN Li-ming, GUO Da-quan
(No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Modal analysis and modal test on a ship steam-turbine generator set are carried out. The results of simulation analysis and testing achieve a good agreement. It shows that the method of finite element modeling on the pedestal is feasible. The finite element model of pedestal has sufficient accuracy for engineering analysis. It lays the foundations for further overall analysis on the dynamic characteristics of steam-turbine generator set.

pedestal of steam-turbine generator set; modal analysis; test

TM62

A

岑黎明（1979-），男，工程师。研究方向：辅汽轮机设计。