基于水机电多场耦合有限元方法的水电机组振动特性研究

摘要

水电机组的振动特性研究是支撑水电站安全、稳定和经济运行的重要保障。在水电行业蓬勃发展的背景下，水力发电机组的装机容量越来越高，结构越来越复杂，其振动与稳定性问题也日益突出。在任何动力机械中，结构振动都是十分严峻的问题，它可能造成机组关键部件的疲劳损伤，诱发裂纹产生，导致局部结构破坏、弯曲、断裂，甚至引发灾难性的安全问题。因此，长期以来结构振动一直都是理论与工程研究的焦点问题。而处在水机电多场耦合作用下的水力发电机组的结构振动问题更为复杂，除了由机械因素引发的结构振动外，还存在发电机部分的电磁激振、水轮机部分的水力激振，各激励互相耦合、互相影响，其普遍性与复杂性使之成为了水电行业内亟待解决的科学前沿问题与工程技术难题。 水力发电机组结构振动分析模型是开展上述研究的关键所在，是振动机理研究的基础。传统的采用了简化与等效思想的基于数值解析法动力学建模，无法准确的刻画机组振动的真实响应特性，工程实用价值不高，制约了振动故障诊断、结构优化改造、结构受力分析与寿命计算等关键技术的研究与发展。为此，本文以对水机电多场耦合下的振动机理的探索为切入点，建立了基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）和有限元方法（finite element method,FEM）的流固耦合（fluid-structure interaction,FSI）振动特性分析模型、基于二维电磁和三维结构的机电耦合振动特性分析模型以及抽水蓄能机组过渡过程流场仿真模型，以理论模型研究与工程实际案例相结合的方式，针对水力发电机组固定导叶、发电机定子机座与水泵水轮机关键设备的振动问题开展了深入的研究，分析了振动产生的原因，解析了其中流场与电磁场的分布规律及演化机理，提出了相应的优化改造对策，并取得了一定的理论成果与方法创新。研究成果在我国江西靖安洪屏抽水蓄能电站得到了成功应用，本文主要的研究成果与创新如下： （1）建立了水轮机双列叶栅流场仿真分析模型，设计了以出流边厚度、圆角、倾斜角和尾缘形状等为控制变量的正交试验，探明了叶型轮廓参数对卡门涡街流态特性与演化规律的影响。进一步，搭建了基于计算流体动力学和流固耦合方法的固定导叶流致激振分析模型，获得了固定导叶在卡门涡街扰动下的振动响应特性、叶片应力分布及疲劳寿命。在此基础上，结合神经网络与智能算法，以脱落频率、能量损失、尾迹长度以及压力脉动幅值为性能指标，创新性的提出了水轮机固定导叶智能优化模型，实现了对固定导叶叶型轮廓的多目标智能优化，并成功应用于工程实践。 （2）针对发电机定子机座异常振动现象普遍、振动产生原因不明的问题，以国内某水电站故障机组为研究对象，搭建了二维电磁与三维结构的机电耦合有限元振动分析模型，仿真实验结果与现场试验数据吻合良好。进一步，以该模型为研究手段，解析了电磁激振的产生机理，深入探索了定转子偏心、转子不圆以及立筋结构等因素对电磁激振的影响，并结合实测数据发现了该机组的振动故障的原因并给出相应的优化改造建议，提供了一种新的故障诊断思路，具有重要的理论研究意义与较高的工程实用价值。 （3）为实现对抽水蓄能机组复杂水力过渡过程流场演化机理研究，以江西洪屏抽水蓄能电站机组为研究对象，从基于特征线法的一维仿真和基于计算流体动力学的三维仿真两种思路出发，建立了抽水蓄能机组精细化水力过渡过程仿真模型，并通过仿真实验与现场真机试验证明了仿真模型的有效性与准确性。进一步，求解了水泵工况断电过渡过程的水力特性参数与流场分布情况，详细阐述了该过渡过程复杂的流场演化规律，为后续的关键设备振动研究奠定了理论基础。 （4）针对抽水蓄能机组水泵工况断电过渡过程水力不稳定问题，采用三维有限元结构响应分析方法，将不平衡磁拉力、水力转矩等激励条件加载到结构模型上，实现了对机组主轴轴系与水泵水轮机转轮的瞬态响应分析。在此基础上，综合分析了水机电参数对主轴轴系振动特性的影响，求解了不同工况下转轮的变形情况与受力分布，为机组的安全稳定运行提供了科学指导。

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