基于NX+NASTRAN的余热发电机座模态分析

2012-02-20周卫元

装备制造技术 2012年5期

关键词：机座振型定子

周卫元

（1.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310014；2.浙江电大萧山学院，浙江杭州 311201）

余热发电机机座由多个零部件组装而成，其固有频率的计算非常困难，以前只能凭经验设计，制造完成以后再进行振动试验，有的甚至是在安装运行一段时间以后，才发现定子机座存在严重振动。

通过基于NX+Nastran有限元法分析，在设计时就能搞清楚机座结构在易受影响的频率范围内的各阶模态特性，预测机座结构在某频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。

本文对某12MW的余热发电机机座进行有限元分析，验证机座的振动是否在设计允许范围之内。

1 机座有限元模型的建立

1.1 机座几何模型建立

根据余热发电机机座的二维图纸，使用UG NX 6建立机座的三维模型，如图1所示。

图1 发电机机座实体模型图

为了简化计算，对发电机座实体模型进行简化，略去了对于机座强度影响不大的通气孔、承受载荷并不关键的安装用吊环等功能件和非承载件；简化了连接部位的过渡形式，使构建表面光滑；对孔、台阶、凹槽、翻边等结构，在截面特性等效的基础上尽量简化；忽略对截面特性影响不大的特征。

1.2 定义材料属性

在建立机座有限元模型时，所要定义的材料属性有材料的弹性模量E、泊松比γ，材料密度ρ等。机座材料选用Q235，力学性能参数为：密度7.85×103kg／m3，弹性模量 2.06×1011Pa，泊松比 0.3，热膨胀系数1.20×10-5℃，屈服强度2.35×108N／m2，抗拉强度4.2×108N／m2。

1.3 单元类型

对于发电机座，根据其几何形状特征和主要力学特性，采用3D和2D相结合的单元类型，对于机座支撑筋、下边框、吊攀采用单元大小为30 mm的六面体实体单元进行网格划分；对于机座底板采用单元大小为30 mm的四面体实体单元进行网格划分；由于机座的其他结构采用钢板焊接而成，故采用单元大小为30 mm的四边形2D板壳单元进行网格划分。

1.4 边界条件

载荷边界条件：发电机机座承受的载荷比较复杂，包括机座自重53 400 N、定子冲片重量151 000 N、定子冲片沿定子轴向的张力1 500 000 N、发电机意外短路扭矩390 000 kg.cm，以及转子对定子的电磁力以及机座螺栓预紧力等。

约束边界条件：发电机机座安装在底座上，与支座撑板处接触，底座用地脚螺栓固定。

发电机座有限元模型如图2所示。

图2 发电机机座的有限元模型

2 机座的模态分析

模态分析主要用来确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，在结构设计中，是分析结构承受动态载荷的重要参数，同时也可以进行更为详细的动力学分析。

2.1 模态分析结果

发电机座8阶振型如图3、4、5、6所示。

图3 发电机机座1、2阶振型图

图4 发电机机座3、4阶振型图

图5 发电机机座5、6阶振型图

图6 发电机机座7、8阶振型图

发电机机座模态分析前八阶频率和部位见表1。

表1 发电机机座模态分析前八阶频率和部位

2.2 模态分析结论

根据分析发电机座前八阶振型图可知：

第1、2、7阶是主钢结构的轴向振动，由于在这个方向受定子冲片的制约，运行时不会出现这种情况；第3～6阶为外壳的振动情况，范围是129 Hz～131 Hz，与100 Hz(机组的2倍频率)相比距离不大，第8阶是我们最关心的情况，这是主钢结构的横向振动，因为它的振动方向与交变的磁拉力方向相同，我们必需要避开这个方向的共振，它的数值也远在100 Hz的10%范围之外，所以不会产生较大的振动。