基于非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)的水輪發(fā)電機組振動機理研究.pdf

1、水力發(fā)電系統(tǒng)是一類機械、電磁和水力等因素相互影響、相互制約的復(fù)雜非線性動力系統(tǒng)，其運行過程中水電機組振動故障的產(chǎn)生和發(fā)展包含了大量不確定性因素，難以用傳統(tǒng)建模理論與方法進行精確的數(shù)學(xué)模型描述。同時，隨著水電在電力能源結(jié)構(gòu)中所占比重逐漸增大，且機組單機容量和水頭的大幅提高，機組振動問題日益突出，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成的影響也日益凸顯。因此，迫切需要深入研究不同機組振動故障的產(chǎn)生及其相互作用機理，揭示系統(tǒng)參數(shù)對機組軸系振動穩(wěn)定性及失穩(wěn)影響

2、的規(guī)律，為進一步提高我國水電機組的設(shè)計和運行水平提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本文以非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論和方法為基礎(chǔ)，建立不同振動故障作用下機組軸系非線性動力學(xué)模型和運動微分方程，綜合運用分岔圖、Poincaré截面圖、軸心軌跡圖、時域波形圖和幅值譜圖等多種手段，系統(tǒng)地研究了轉(zhuǎn)定碰摩與軸承松動耦合故障下機組軸系的動態(tài)響應(yīng)、聯(lián)軸器綜合不對中下機組的動力學(xué)行為、機組軸系的非線性電磁振動特性和水輪機密封系統(tǒng)對機組振動及穩(wěn)定性的影響等。主要的研

3、究成果如下：
　　 ⑴綜合考慮裂紋深度對轉(zhuǎn)軸剛度的影響以及開閉函數(shù)的連續(xù)性，提出一種新的裂紋開閉規(guī)律，構(gòu)建了裂紋和碰摩耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動微分方程，分析了不同故障下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分岔與混沌行為，研究了定子徑向剛度、裂紋深度和裂紋角度等系統(tǒng)參數(shù)對耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。研究表明，隨著定子徑向剛度的增大，轉(zhuǎn)子碰摩力不斷增大逐漸成為主導(dǎo)因素，使系統(tǒng)響應(yīng)由混沌運動不斷向周期運動演變；不同裂紋深度和裂紋角度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化表現(xiàn)

4、出不同的分岔演化過程，在臨界轉(zhuǎn)速附近，其響應(yīng)逐漸由復(fù)雜的混沌運動向周期4 運動不斷演變，在超臨界轉(zhuǎn)速區(qū)則以擬周期運動為主要形式，且出現(xiàn)了不同的倍周期運動。
　　 ⑵針對軸承松動易導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生碰摩的問題，考慮發(fā)電機定子與基礎(chǔ)間的連接剛度和阻尼，建立了軸承松動與碰摩耦合故障下水輪發(fā)電機組非線性動力學(xué)模型，分析了機組轉(zhuǎn)頻比、轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心及摩擦系數(shù)等參數(shù)對轉(zhuǎn)子、定子及松動軸承的振動影響，重點研究了發(fā)生碰摩時定子響應(yīng)的非線性動

5、力學(xué)行為。分析發(fā)現(xiàn)，剛度比不影響碰摩的發(fā)生區(qū)域，系統(tǒng)響應(yīng)隨轉(zhuǎn)頻比和摩擦系數(shù)變化存在周期運動、倍周期運動和擬周期運動等，幅值頻譜中出現(xiàn)幅值較大的諧波分量；隨著轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心的增大，轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生碰摩的區(qū)域不斷增大，且在兩個不同的轉(zhuǎn)頻區(qū)間內(nèi)都有碰摩現(xiàn)象發(fā)生，其響應(yīng)出現(xiàn)了擬周期運動。
　　 ⑶在分析剛性聯(lián)軸器綜合不對中運動機理的基礎(chǔ)上，建立了水輪發(fā)電機組軸系綜合不對中的動力學(xué)模型，分析了該系統(tǒng)隨機組轉(zhuǎn)速、不對中平行量及不對中偏角等參數(shù)變

6、化的非線性動力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)，隨著不對中故障的增大，系統(tǒng)響應(yīng)存在有周期運動、周期3 運動及復(fù)雜的擬周期運動。在擬周期運動區(qū)域，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪的幅值譜圖中除1 倍頻外，還存在幅值較大的低頻分量，特別是在0.3~0.4 倍頻處，且不對中平行量對轉(zhuǎn)子的振動影響較大；在轉(zhuǎn)速上升的過程，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪響應(yīng)均為周期運動，其振幅不斷變化，當轉(zhuǎn)速進一步增大時，系統(tǒng)響應(yīng)會由周期運動演變?yōu)閿M周期運動，呈現(xiàn)出豐富的非線性動力學(xué)行為。
　　 ⑷根據(jù)電磁拉力與

7、轉(zhuǎn)子偏心的非線性關(guān)系，將氣隙磁導(dǎo)展開為Fourier 級數(shù)，推導(dǎo)出不平衡磁拉力的具體解析表達式，建立了水輪發(fā)電機組軸系非線性電磁振動的動力學(xué)模型，研究了機組轉(zhuǎn)速、勵磁電流及轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心等系統(tǒng)參數(shù)對機組軸系振動的影響。結(jié)果表明，隨著機組轉(zhuǎn)速上升過程中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子在1~1.5倍頻和0.5~1倍頻處出現(xiàn)了諧波分量，轉(zhuǎn)輪則在0.5~1 倍頻處存在幅值較大的低頻分量；隨著勵磁電流和轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心的增大的變化，系統(tǒng)響應(yīng)存在周期運動和復(fù)雜的擬周期等，系

8、統(tǒng)振幅不斷變化，轉(zhuǎn)子的1 倍頻幅值不斷增大，高頻分量不斷減少，而轉(zhuǎn)輪的1 倍頻幅值不斷減小，低頻分量不斷增多。
　　 ⑸針對隨著水輪發(fā)電機組軸系結(jié)構(gòu)參數(shù)的提高，作用在水輪機轉(zhuǎn)輪上的密封水流激振力將顯著增大，容易導(dǎo)致機組異常振動的問題，采用Muszynska 非線性密封力模型，建立了密封激振力作用下水輪發(fā)電機組密封軸系非線性動力學(xué)模型，系統(tǒng)地分析了機組導(dǎo)軸承的振動特性和水輪機轉(zhuǎn)輪的動態(tài)穩(wěn)定性。研究表明，各導(dǎo)軸承運動振幅隨轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏