大型水輪發(fā)電機組軸系動力學(xué)建模與仿真分析.pdf

1、振動是影響水輪發(fā)電機組安全、穩(wěn)定運行的最重要因素之一。過大的振動會導(dǎo)致材料的疲勞損壞,縮短設(shè)備的使用壽命,甚至可能引發(fā)嚴(yán)重的機組毀壞事故,造成重大的經(jīng)濟損失。隨著水輪發(fā)電機組單機裝機容量和水頭的不斷提高,機組的振動問題日益突出,已經(jīng)成為水電行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵課題之一。建立一個合適的水輪發(fā)電機組軸系動力學(xué)模型對于振動機理的闡明、振動故障的診斷以及狀態(tài)檢修技術(shù)的實現(xiàn)都具有重要的研究意義。
　　本文以葛洲壩電廠125MW機組為例,深入研

2、究了大型水輪發(fā)電機組軸系的動力學(xué)建模與仿真。為了建立更準(zhǔn)確的軸系動力學(xué)模型,詳細(xì)分析了機組的結(jié)構(gòu)特性。針對機組的結(jié)構(gòu)特性,將機組軸系的動力學(xué)相關(guān)因素按邏輯分為軸系本體、邊界條件、外部激勵、運行工況四個模塊。軸系本體指機組的旋轉(zhuǎn)部分,為主要的研究對象。邊界條件和外部激勵是影響軸系動力響應(yīng)的重要因素,而運行工況參數(shù)如轉(zhuǎn)速、勵磁電流及負(fù)荷等對邊界條件和外部激勵都具有重要的影響。
　　在認(rèn)真總結(jié)轉(zhuǎn)子動力學(xué)建模理論的基礎(chǔ)上,選用了有限元方法

3、建立機組軸系本體模型。詳細(xì)討論了利用轉(zhuǎn)子動力學(xué)有限元方法建立軸系本體轉(zhuǎn)子模型的過程,以及實際機組建模過程中的問題及解決辦法。在此基礎(chǔ)上,分別詳細(xì)論述了對機組軸系動力響應(yīng)具有重要影響的邊界條件和外部激勵。其中邊界條件主要包括導(dǎo)軸承、推力軸承及密封等,與軸系的動力響應(yīng)密切相關(guān),同時對軸系的動力特性具有重要影響。數(shù)值計算的方法可以較精確地求解軸承動力特性系數(shù),但是因為過大的計算量而無法在軸系響應(yīng)分析時實時更新系數(shù)。為了解決這一問題,提出了簡潔

4、而實用的基于動力特性系數(shù)數(shù)據(jù)庫的軸承分析方法。既解決數(shù)值計算方法計算量過大而無法實用的問題,又改進了傳統(tǒng)的軸系響應(yīng)分析時軸承分析過于簡化的缺陷。該軸承分析方法還可以考慮轉(zhuǎn)速及軸承間隙對軸承力的影響,使模型能夠仿真分析軸承參數(shù)對軸系動力響應(yīng)的影響。外部激勵指質(zhì)量不平衡力、水力、不平衡磁拉力及故障因素引起的受力等。水輪發(fā)電機組在運行中表現(xiàn)出的一些“個性”較強的特征,往往是由運行環(huán)境所引起的外部激勵所造成。軸系所受的水力及不平衡磁拉力分別由流

5、固耦合作用及電磁場作用引起,通過有限元等數(shù)值計算方法能夠計算得到較精確的受力。但是,同樣存在計算量過大而無法適用于以軸系響應(yīng)分析為目的的模型的問題。為此,提出了利用發(fā)電機空載特性曲線分析計算不平衡磁拉力的方法。該分析方法考慮了勵磁電流及其飽和效應(yīng)對不平衡磁拉力的影響,改進了以往軸系響應(yīng)分析中用一個負(fù)剛度系數(shù)簡化不平衡磁拉力作用的做法。提出了施加不平衡力矩于軸系轉(zhuǎn)角自由度的方法模擬水力不平衡。
　　通過對機組軸系各模塊的系統(tǒng)分析,得

6、到一個描述機組軸系動力學(xué)特性的仿真模型。仿真模型是一個只在若干結(jié)點自由度上具有局部非線性因素的線性動力系統(tǒng),由一個高維二階微分方程組描述。利用數(shù)值積分方法求解該系統(tǒng)運動方程,可在合理的時間內(nèi)得到軸系的動力響應(yīng)。利用動力學(xué)模型仿真分析了機組在變轉(zhuǎn)速試驗、變勵磁試驗、工況變化以及輪葉和導(dǎo)葉開口不均下的振動特性。與葛洲壩水電站最優(yōu)維護信息系統(tǒng)(HOMIS)采集到的振動監(jiān)測信息進行對比分析,得到一些有意義的振動故障機理推斷知識。分析結(jié)果顯示,仿