混流式水轮发电机组主轴系统全局耦合动态性能研究

摘要

长期以来，水轮发电机组的激烈振动问题严重影响水电站的正常安全稳定工作。在高水头、大流量水流和强电磁场的共同作用下，其规律十分神秘，是一个至今仍未彻底解决的难题。在机组的实际运行过程中，机组主轴系统同时会受到电磁激励，惯性激励和水力激励等的联合作用，并且系统的机械振动参数，电磁参数和水力参数之间相互耦合。机组主轴系统不仅同时存在机电耦合关系，液固耦合关系，而且还存在机电液全局耦合关系。为了全面研究机组主轴系统的动态性能，有必要从全局耦合的角度，将机组主轴系统的机电耦合振动问题、液固耦合振动问题集成研究，建立统一的动态分析模型来研究机组主轴系统的全局耦合动态性能。本文的研究目的就是要从系统全局耦合的角度研究混流式水轮发电机组主轴系统的振动规律。主要内容包括：
　　 应用有限单元法建立混流式水轮发电机组主轴系统非线性全局耦合动力学模型。首先，根据发电机转子存在振动偏心这种实际运行状态的机电耦合关系，引入发电机气隙磁场能量函数，并考虑发电机转子轴向振动对磁场的影响，建立发电机单元；其次，根据水轮机主轴的特点，建立水轮机主轴单元；然后，根据转轮与周围水体之间的液固耦合作用，建立水轮机转轮单元，并针对机组主轴系统转轮处存在横振、扭转和轴向振动的情形，推导混流式水轮机转轮内水力激励与机组主轴系统振动之间的耦合关系，揭示混流式水轮发电机组主轴系统的液固耦合振动特性；最后，在发电机单元、水轮机主轴单元和水轮机转轮单元的基础上，应用有限单元法建立混流式水轮发电机组主轴系统的非线性全局耦合动态方程。所建方程较好地体现了该系统动态性能与其电磁参数、结构参数和水力参数之间的关系，为进一步深入研究混流式水轮发电机组主轴系统的动力学特性与机组主轴系统电磁参数、结构参数及水力参数之间的内在联系奠定了基础。
　　 利用多尺度法对混流式水轮发电机组主轴系统的参激振动和强迫振动的耦合机理及发生参、强联合共振条件进行深入研究。研究结果表明：混流式水轮发电机组主轴系统存在非线性电磁参数激励，惯性激励和水力激励；电磁参数激励是由发电机转子振动偏心和轴向振动时的气息磁场变化产生的，是系统产生参激振动的主要原因：在电磁参数激励、惯性激励和水力激励联合作用下系统将产生参激振动和强迫振动相耦合的现象。
　　 利用多尺度法对混流式水轮发电机组主轴系统非线性动态方程进行求解，得到机组主轴系统非线性动态方程的一次近似解。并对一具体实例进行仿真计算，得到相应的仿真结果。通过将该仿真结果同试验结果进行对比发现两者基本吻合，说明本文的建模和计算是正确、可靠的。
　　 采用多尺度法研究混流式水轮发电机组主轴系统在电磁激励、惯性激励和水力激励作用下的主共振、次谐共振、超谐共振、组合共振和多重共振的条件，分析系统在电磁激励作用下的主共振和次谐共振、在惯性激励作用下的超谐共振、在惯性激励和水力激励共同作用下的组合共振和在电磁激励、惯性激励和水力激励共同作用下的多重共振及其运动稳定性等问题。
　　 以广西岩滩水电站为研究对象，研究机组主轴系统非线性振动对厂房结构振动的影响.揭示机组主轴系统非线性振动与厂房结构振动之间的关系。
　　 以广西岩滩混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象，进行相关的试验研究，验证本文理论研究的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文的背景、理论意义和实践意义

1.2文献综述

1.2.1机组主轴系统动力学的研究方法

1.2.2机电耦合动力学的研究

1.2.3液固耦合动力学的研究

1.3课题来源与本文的主要研究内容

2混流式水轮发电机组主轴系统动力学建模

2.1引言

2.2发电机单元

2.2.1位移模式

2.2.2发电机单元的动能

2.2.3发电机单元的势能

2.2.4发电机单元的运动微分方程

2.3水轮机主轴单元

2.3.1位移模式

2.3.2水轮机主轴单元的动能

2.3.3水轮机主轴单元的势能

2.3.4水轮机主轴单元的运动微分方程

2.4水轮机转轮单元

2.5混流式水轮发电机组主轴系统的动态方程

2.6小结

3混流式水轮发电机组主轴系统参激振动及其耦合机理研究

3.1引言

3.2机组主轴系统的自激惯性力

3.3机组主轴系统的参激振动分析

3.4机组主轴系统的参激振动耦合机理研究

3.5小结

4混流式水轮发电机组主轴系统非线性动态方程的求解

4.1引言

4.2多尺度法

4.3系统动力学方程一次近似解的计算

4.4实例分析

4.5小结

5混流式水轮发电机组主轴系统非线性动态特性分析

5.1引言

5.2非线性动态特性分析

5.2.1主共振分析

5.2.2次谐共振分析

5.2.3超谐共振分析

5.2.4组合共振分析

5.2.5多重共振分析

5.3系统运动稳定性分析

5.4小结

6混流式水轮发电机组主轴系统非线性振动对厂房结构振动的影响研究

6.1引言

6.2机组主轴系统非线性振动对厂房结构振动的影响

6.3小结

7混流式水轮发电机组主轴系统动力学性能试验研究

7.1引言

7.2试验设备与测试规范

7.3测试系统的参数

7.4试验结果及分析

7.4.1尾水管压力脉动试验结果及分析

7.4.2机组主轴系统摆度试验结果及分析

7.5小结

8全文总结与研究展望

8.1全文总结

8.2研究展望

致谢

参考文献

附录