灯泡贯流式水轮发电机组轴系振动特性研究

摘要

灯泡贯流式水轮发电机组是将水能转化为电能的装置。该机组工作环境复杂，运行时会受到机械、电磁、水力等多方面的耦合作用产生振动。而机组轴系作为能量转换的核心部件，其振动特性是评价机组是否安全运行的重要指标。因此，有必要对机组轴系的振动特性进行深入研究。 本文以柴家峡水电站24MW灯泡贯流式水轮发电机组轴系为研究对象，分别对其自振特性和瞬态响应规律展开研究工作，取得的研究成果如下： （1）基于Riccati传递矩阵法建立了轴系自振特性分析模型。建模过程中，针对灯泡贯流式机组轴系的特殊性，提出将推力轴承的角刚度作用加入到状态量的传递关系中，通过计算轴系的临界转速验证了推力轴承在模型中的不可忽略性。在此基础上分析了导轴承刚度和不平衡磁拉力负刚度对轴系一阶临界转速的影响情况。结果表明，导轴承刚度的增加会导致轴系一阶临界转速的增大，但临界转速存在极限值；不平衡磁拉力的负刚度作用会降低轴系的一阶临界转速。 （2）为揭示机组轴系的不平衡响应特性，通过在轴系各处施加不平衡质量的方式，分别研究了轴系重要部位存在不平衡质量时对整个轴系振动的影响情况。研究结果表明，在同等情况下，转轮处存在不平衡质量时，整个轴系的位移响应值最大；在临界转速附近，轴系各处的位移响应值会急剧增大；位移响应值与不平衡量值成正比关系。 （3）建立了机组轴系的瞬态动力学分析模型，并对轴系的各边界条件和实际工况下的常见不平衡载荷进行了建模。基于Riccati传递矩阵法结合Wilson-θ法推导了计算轴系瞬态响应的理论过程并编制了相应的计算程序，对机组轴系在典型载荷下的瞬态响应规律进行了研究。结果表明，机组在实际运转时，由于存在各种不平衡载荷，轴系的运行轨迹并非一直稳定在原点，因为油膜力的各向异性特性，其稳定运行的轨迹是一个椭圆；机组转轮处由于和水流直接接触，会受到不稳定冲击载荷作用，导致轴系各处位移响应值急剧增大并在一段时间内处于无规律运行状态，由于油膜力的阻尼作用，机组轴系最终会收敛于稳定运行状态，但是，在冲击载荷过大时，轴系极易发生振动超标现象。 本文的研究工作，对于灯泡贯流式水轮发电机组轴系的优化设计以及实际工作时机组的故障状态监测具有重要意义。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 转子动力学研究现状

1.2.2 水轮发电机组轴系振动特性的研究现状

1.2.3 灯泡贯流式机组轴系振动特性的研究现状

1.3 灯泡贯流式机组轴系振动特性研究中存在的不足

1.4 本研究的意义与价值

1.5 本论文研究内容

第2章 灯泡贯流式机组轴系动力学分析模型的建立

2.1 引言

2.2 计算理论与方法介绍

2.3 典型盘轴单元传递矩阵的建立方法简介

2.3.1 结点质量集中

2.3.2 转子支承的简化

2.3.3 刚性薄圆盘的点传递矩阵

2.3.4 无质量弹性轴段的场传递矩阵

2.3.5 盘轴单元的总传递矩阵

2.4 机组轴系动力学分析模型的建立方法

2.4.1 轴段的离散化处理方法

2.4.2 转轮处水体质量的等效处理情况

2.4.3 导轴承模型建立

2.4.4 推力轴承模型的建立

2.5 机组实际运行时所受的典型不平衡载荷情况分析

2.5.1 电机转子和转轮处的质量偏心产生的不平衡力

2.5.2 轴系弓状回转产生的不平衡力

2.5.3 不平衡磁拉力

2.5.4 水力不平衡力

2.6 本章小结

第3章 机组轴系临界转速计算及其影响因素分析

3.1 引言

3.2 转子质量的离散化

3.2.1 机组轴系主要参数

3.2.2 机组轴系的离散化处理结果

3.3 计算临界转速和模态振型的Riccati传递矩阵法

3.4 Riccati传递矩阵法的奇点消除方法

3.5 结果分析及讨论

3.5.1 临界转速计算结果与分析

3.5.2 模态振型结果分析

3.5.3 组合轴承径向刚度对轴系一阶临界转速的影响

3.5.4 水导轴承刚度对轴系一阶临界转速的影响

3.5.5 不平衡磁拉力负刚度对轴系临界转速的影响

3.6 本章小结

第4章 灯泡贯流式机组轴系稳态不平衡响应分析

4.1 引言

4.2 计算轴系不平衡响应的Riccati传递矩阵法

4.3 结果分析及讨论

4.3.1 额定转速下轴系的位移响应

4.3.2 不同转速下轴系的位移响应

4.3.3 不平衡量值对轴系位移响应的影响

4.4 本章小结

第5章 灯泡贯流式机组轴系瞬态响应规律研究

5.1 引言

5.2 结点动力学方程的建立

5.3 瞬态响应计算方法推导

5.3.1 Wilson-θ法的引入

5.3.2 单元传递矩阵的形成

5.3.3 各结点初始加速度的确定

5.3.4 轴系各结点瞬态响应的求解

5.4 结果分析与讨论

5.4.1 轴系有初始位移时的瞬态响应

5.4.2 不平衡载荷作用下轴系的瞬态响应

5.4.3 水流冲击载荷作用下轴系的瞬态响应

5.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的科研成果目录

附录B 参加科研项目情况