发电机组是重要的驱动能源、备载能源和应急能源，其自身安全尤为重要。各大船级社均规定大于110 kW 的合资康明斯发电机组系统必须进行轴系扭振的计算与测试。作为核电站后备电源，柴油发电机组有更为严格的可靠性要求。自福岛核电站因地震海啸引起的灾难后，各国对核电站的发电机组的可靠性更加重视。
在一些特殊工况下，负载激励引起的轴系扭振也不可忽视，其中发电机端的短路故障是各核电站关注的特种工况。
当发电机组产生短路故障时，轴系上将受到随时间变化的非周期性的冲击力矩的用途，致使扭转振动 。国内外学者对东莞康明斯发电机组中的冲击扭矩作了大量探求，但关于发电机组轴系冲击问题的探求较少。本文关于MAN公司给出的计算报告嘲进行了深入的解析。报告中给出的发电机组在短路工况下发电机处受到的瞬时扭矩，表达式如下：
短路故障导致的冲击扭矩和发电机组导致的不平衡扭矩对照图如图1所示。可以看出，发电机配件短路故障致使的冲击扭矩幅值可达到正常工况下发电机组端附加扭矩的数倍甚至更高。因此，校核轴段在短路故障下的附加应力，严查机组轴系在短路故障工况下是否安全十分必要。因为短路时发电机受到的力矩具有冲击特点，目前各国船规还没有给出这一特种工况下轴系扭振的计算办法。本文对短路损坏下的轴系扭振计算步骤和机组轴系在短路工况下的扭振特征进行了探求。1 机组模型及固有特点本文探求对象为核电站某应急发电机组，该机组由一台发电机组和一台交流发电机结构
2 正常工况下机组轴系扭转振动时域计算举措为了获得系统的时域响应特别是瞬态响应，本文采用逐步积分法计算扭振响应。此法在扭振计算中的应用比较成熟，文献[6]在讨论东发电机组熄火故障的自适应扭振辨认技术时就采用了逐步积分法计算扭振。这种步骤把微分方程切换成差分方程进行求解。差分格式有多种，本文采用纽马克格式，这种格式是无要素收敛的，有利于计算。计算流程如图3所示。正常工况下，发电机组一般只计算汽缸的激励及惯性力激励引起的强迫扭振响应。常用的计算举措有估算法和数值计算法。主用的估算法包括能量法和放大系数法。频域详解算法则是船规认可的数值计算办法，文献[7，8]中也采用此法进行相关的编程计算。本文采用经过检查的频域叙说法程序校验所编时域扭振计算流程的准确性。图4为100 负载时单谐次扭振频域叙谈法和逐步积分法结果对比图。可以看出，两者的幅值完全一样。图5为只有发电机组综合激励功能下第5轴段的附加扭矩对比图。因为机组含有盖斯林格联轴器，这种联轴器的扭转刚度在频域上有2个值，当激励频率大于联轴器的特点频率时为一个扭转刚度值，当激励频率小于特点频率时，扭转刚度变化到另外一个值 ]。而逐步积分法是一种时域计算举措，为清除方便，将盖斯林格联轴器的扭转刚度取为联轴器的特点刚度。从图5可以看出，2种手段计算结果十分接近，说明本文的时域算法在工程上是可行的。3 短路工况下轴系扭振叙说为了比较深圳康明斯发电机组短路工况下激励和阻尼的影响，分别进行了不含发电机组不平衡扭矩激励和含发电机组不平衡扭矩激励的轴系扭振计算，也进行了阻尼功用的研究。3．1 不含发电机组激励和阻尼时轴系扭振特点在短路工况扭振计算中，忽略了主轴部分所受的发电机组激振扭矩，也不计发电机组的阻尼。如图l所示，整个系统仅考虑了发电机转子(惯量25)所受的激振扭矩和联轴器的阻尼。图6为三相短路损坏时第9、11、13、15轴段的附加扭矩，与MAN公司的计算报告中相关计算结果比较，两者十分接近。由此也可推测出，MAN 公司的计算模型没有考虑发电机组的激励和阻尼。使用这种模型计算得到的发电机组高附加扭振应力轴段和联轴器的附加扭矩如表2所示。从表2可以看出，曲轴的应力*大仅为8 MPa，远远小于发电机组正常工况下曲轴的应力40 MPa。具体是因为短路激励功用点在发电机上，发电机的惯量远大于东风康明斯发电机组的惯量，且发电机与合资康明斯发电机组之间隔有弹性联轴器，冲击扭矩的一部分能量使得发电机转子产生角加转速。但是这种只考虑短路激励和只考虑联轴器阻尼的算法是不全面的，在实际运行中并没有这种工况。正确的短路工况下，轴系应力和附加扭矩的计算需要考虑发电机组激励和各种阻尼。
3．2 考虑合资发电机组激励及多种阻尼因素下的短路故障扭振特点阐明短路工况下，综合考虑发电机组的激励，为比较**阻尼和相对阻尼对冲击响应的影响，下面以三相短路故障为例，分别对下述工况下轴段的附加应力和联轴器附加扭矩进行了计算：工况1，发电机组正常激励作用，包含所有阻尼；工况2，仅有短路激励和联轴器阻尼作用(MAN公司供应的计算工况)；工况3，发电机组正常激励和短路激励同时功能，无阻尼；工况4，发电机组正常激励和短路激励同时功用，含有联轴器和扭振减振器的相对阻尼，忽略汽缸组件的**阻尼；工况5，重庆康明斯发电机组正常激励和短路激励同时作用，只包含**阻尼；工况6，发电机组正常激励和短路激励同时作用，包含所有阻尼。下面选购不同的工况下附加应力较大的轴段，进行列表比较概述，如表3所示。从表3可以看出，当考虑合发电机组激励后，主轴应力比仅考虑短路激励的应力大6～7倍，故广州康明斯发电机组激励不可以忽略。如果综合考虑合资康明斯发电机组激励和短路激励，曲轴应力比仅考虑深圳康明斯发电机组激励工况的曲轴应力略有增加，但联轴器的附加扭矩增大了近4倍。这是因为短路激励的位置和东莞康明斯发电机组激励的位置中间含有联轴器，廉江发电机配件当短路冲击扭矩功能时，联轴器产生大变形，吸收冲击能量，然后再缓慢释放能量，当冲击能量传递到东莞康明斯发电机组处时，其用途幅值已经较小了。当不计机构阻尼时(工况3)，曲轴应力明显增加且超过许用值，由此可见阻尼对抑制曲轴应力效果显着。其中，相对阻尼的作用十分明显，当加入相对阻尼时(工况4)，相对于工况3主轴应力下降了29．1 ～37．3 ，联轴器附加扭矩下降了8．5 。因为装置的相对阻尼来自扭振减振器和弹性联轴器，一旦减震器或联轴器产生卡死状况，阻尼效果将会大幅度下降，因此在平时检验过程中需要特别关注扭振减振器和联轴器的状态。另外，当只有**阻尼功能时(工况5)，各段主轴应力比无阻尼情形减小了6 ～ 11 ，弹性联轴器附加扭矩增加了17 。因为各缸的**阻尼大小一样，各惯量之间刚度一致且远大于弹性联轴器的刚度，因此增加**阻尼后主轴之间的相对变形量会下降。当全部阻尼被计入时(工况6)，相比于工况4和工况5，广州康明斯发电机组曲轴应力得到进一步抑制。但由于**阻尼作用在活塞组件上，合资康明斯发电机组轴段的响应要比没有**阻尼时慢，这就导致联轴器需要吸纳更多的能量，联轴器的附加扭矩增加。综合上述解述，只有康明斯发电机组作业时考虑短路故障(工况3～工况6)才具有实际意义，并且实际工况中均需要考虑机组的全部阻尼，因此在短路计算中应考虑广州康明斯发电机组和短路2种激励力和全部的阻尼。4 轴系扭振影响要素及优化设计为了确保机组轴系的安全，本文通过改变联轴器的刚度、联轴器阻尼和改变飞轮的惯量对轴系进行优化。图7～ 图9分别为改变联轴器刚度、联轴器阻尼和改变飞轮惯量得到的主轴应力和联轴器附加扭矩变化图。由图7～ 图9可以看出，联轴器的刚度、阻尼和飞轮的惯量对曲轴的应力影响比较明显，适当增大联轴器刚度或飞轮惯量均可以减小主轴的应力，但同时增大了联轴器的扭矩，在实际运转中存在风险。综合上述解说，为使主轴应力降低的同时减小联轴器附加扭矩，下面针对联轴器刚度和飞轮惯量进行了优化。首先确定了2个数据的优化取值空间，然后通过计算比较优化后机组的主轴应力和联轴器附加扭矩，选配了合适的联轴器刚度和飞轮惯量。主要的选配方法见表4。不同优化方法下轴段应力及联轴器附加扭矩比较见表5和表6。对比表5和表6中结果与表3中的工况6可以看出，在综合考虑广州康明斯发电机组激励、发电机激励和所有阻尼的工况下，通过选配合适的联轴器刚度和飞轮惯量能使曲轴的*大应力从43 MPa减少到4OMPa，联轴器的*大往复扭矩可以从43．3 kN·m降至34．3 kN·m，由此可以更好地保证
柴油发电机组发电机组在短路损坏中的运转安全。本选配方案可以为此东莞康明斯发电机组轴系的重新设计布置提供技术依据。5 结论(1)逐步积分法可以应用于康明斯发电机组短路冲击问题的排查，并可作为评估参考。(2)扭转震动计算中，综合考虑合资康明斯发电机组的激励力和发电机处的短路激励力，更符合实际情况(短路故障产生于机组运转中)。此时得出主轴的应力*高可达43 MPa，远大于只考虑发电机处激励力算得的8 MPa。(3)联轴器刚度、联轴器阻尼和飞轮惯量对轴段应力和联轴器附加扭矩均有影响，阻尼对冲击响应的功能不可忽略。适当增大联轴器刚度、阻尼或飞轮惯量均可以减小主轴的应力，但会增大联轴器的扭矩，需均衡考虑。