水轮机水力激振及转子系统振动问题研究

摘要

水轮机稳定性是水轮机设计过程中面临的重要问题，以往的水轮机设计通常考虑的是水轮机水力性能中的空化汽蚀、效率、出力等指标。而其轴系的稳定性却很少在设计过程中进行研究。然而，随着水轮机尺寸、单机容量的不断增大，水轮机轴系的相对刚度降低，同时由于水轮机主轴系统中上冠间隙和下环间隙等间隙流动的存在，使得水轮机轴系的不稳定性日益突出，因此，研究水轮轴系的稳定性成为一个重要的课题。
　　本文首先建立了模型水轮机计算域的三维模型，并生成计算网格，计算模型水轮机正常工况下稳态、非稳态流场，对水轮机内部流场进行分析，并通过非定常计算获得各设置测点的压力脉动，得到水轮机单个叶片、转轮整体所受到的非稳态流体作用力以及导叶水力矩，对得到的数据进行频谱分析，得到水轮机内部压力脉动、叶轮非稳态作用力和导叶水力矩的变化规律。同时，通过对真机叶轮流体激振力的计算拟合了水轮机运行过程中水轮机叶轮流体激振力的近似解析模型以方便水轮机转子系统振动特性的分析。
　　过渡过程是水轮机启停、调节中的重要阶段，水轮机过渡过程中经常产生诸如机组异常振动、噪声等不稳定现象，研究水轮机的过渡过程中水轮机内部流场分布及其流动特点对研究水轮机稳定性有重要的作用。论文计算了导叶位于7％附近开度时，模型的水轮机工况、制动工况和反水泵工况模型水轮机内流场分布、监测点压力脉动、叶轮流体激振力以及导叶水力矩，对其进行处理，并将结果与正常工况时流场分布、压力脉动、叶轮受力、导叶水力矩的特点进行对比，得到过渡过程水轮机内部流场的分布特点。并通过本文提出的熵产方法对小开度下水轮机流场进行了评价分析。
　　论文对非定常Reynolds方程进行简化，使用摄动法，并采用非对称边界条件求解Reynolds方程，得到其近似解析解，建立水轮机真机转子系统的转子动力学模型，将正常工况及小开度工况下水轮机叶轮流体激振力加入水轮机转子系统中，对水轮机转子系统进行转子动力学分析。通过改变上冠、下环间隙研究间隙结构对水轮机转子系统振动特性的影响，分析了上冠间隙和下环间隙各结构参数对水轮机转子系统振动特性的影响规律。
　　在水轮机实验台上对水轮机内部压力脉动进行测量，并对测试数据进行分析，对某机组真机运行过程中上导轴承、水导轴承进行过程中的摆度、轴心轨迹进行测量和分析。并将数值计算的结果与模型试验数据、真机运行数据进行对比，验证数值仿真结果的正确性，以确定在水轮机轴系设计过程中进行仿真分析的可行性。
　　全文计算了水轮机正常工况下其内部流动情况，叶轮所受的流体激振力，导叶水力矩的规律；比较了小开度工况下水轮机内部流动情况与正常工况下其流场的差异；通过求解Reynolds方程研究了水轮机上冠、下环的流体激振力模型；分析了水轮机主轴转子系统的转子动力学特性以及间隙几何参数对水轮机转子系统动力学特性的影响；通过熵产理论分析了水轮机内部的流动；并通过仿真结果与实验数据的对比，验证了数值方法的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 水轮机水力特性及叶轮流体激振力研究现状

1.3 间隙流体激振力研究现状

1.4 水轮机转子系统振动问题研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 水轮机正常工况水力特性研究

2.1 数值方法介绍

2.2水轮机内部流场计算

2.3 水轮机内部流场分布

2.4 压力脉动分析

2.5 叶轮流体激振力

2.6 导叶水力矩

2.7 熵产在水轮机水力分析中的应用

2.8 本章小结

第3章 水轮机小开度工况水力特性研究

3.1 小开度工况计算

3.2 小开度工况水轮机流场分布

3.3 小开度工况水轮机内部压力脉动分析

3.4 小开度下转轮流体激振力

3.5小开度下水轮机流动的熵产分析

3.6 本章小结

第4章 间隙流体激振力模型

4.1 间隙流体激振力模型介绍

4.2 Reynolds方程

4.3 Reynolds方程的简化

4.4 关于雷诺方程解的讨论

4.5 本章小结

第5章 水轮机转子系统振动特性研究

5.1 水轮机系统介绍及转子动力学模型

5.2 转子动力学仿真方法

5.3 水轮机转子系统振动特性分析

5.4 改变密封结构对水轮机转子系统动态特性的影响

5.5 本章小结

第6章 水轮机振动问题的实验研究

6.1 水轮机系统

6.2 水轮机压力脉动模型试验

6.3 水轮机转子振动的实验研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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