基于非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、水力發(fā)電系統(tǒng)是一類機(jī)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(dòng)力系統(tǒng)，其運(yùn)行過程中水電機(jī)組振動(dòng)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(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型描述。同時(shí)，隨著水電在電力能源結(jié)構(gòu)中所占比重逐漸增大，且機(jī)組單機(jī)容量和水頭的大幅提高，機(jī)組振動(dòng)問題日益突出，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響也日益凸顯。因此，迫切需要深入研究不同機(jī)組振動(dòng)故障的產(chǎn)生及其相互作用機(jī)理，揭示系統(tǒng)參數(shù)對(duì)機(jī)組軸系振動(dòng)穩(wěn)定性及失穩(wěn)影響

2、的規(guī)律，為進(jìn)一步提高我國水電機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)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(dòng)力學(xué)理論和方法為基礎(chǔ)，建立不同振動(dòng)故障作用下機(jī)組軸系非線性動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)微分方程，綜合運(yùn)用分岔圖、Poincaré截面圖、軸心軌跡圖、時(shí)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(dòng)耦合故障下機(jī)組軸系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、聯(lián)軸器綜合不對(duì)中下機(jī)組的動(dòng)力學(xué)行為、機(jī)組軸系的非線性電磁振動(dòng)特性和水輪機(jī)密封系統(tǒng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)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(duì)耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)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(yùn)動(dòng)不斷向周期運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)向周期4 運(yùn)動(dòng)不斷演變，在超臨界轉(zhuǎn)速區(qū)則以擬周期運(yùn)動(dòng)為主要形式，且出現(xiàn)了不同的倍周期運(yùn)動(dòng)。
　　 ⑵針對(duì)軸承松動(dòng)易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生碰摩的問題，考慮發(fā)電機(jī)定子與基礎(chǔ)間的連接剛度和阻尼，建立了軸承松動(dòng)與碰摩耦合故障下水輪發(fā)電機(jī)組非線性動(dòng)力學(xué)模型，分析了機(jī)組轉(zhuǎn)頻比、轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心及摩擦系數(shù)等參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子、定子及松動(dòng)軸承的振動(dòng)影響，重點(diǎn)研究了發(fā)生碰摩時(shí)定子響應(yīng)的非線性動(dòng)

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(yùn)動(dòng)、倍周期運(yùn)動(dòng)和擬周期運(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)。
　　 ⑶在分析剛性聯(lián)軸器綜合不對(duì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了水輪發(fā)電機(jī)組軸系綜合不對(duì)中的動(dòng)力學(xué)模型，分析了該系統(tǒng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速、不對(duì)中平行量及不對(duì)中偏角等參數(shù)變

6、化的非線性動(dòng)力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)，隨著不對(duì)中故障的增大，系統(tǒng)響應(yīng)存在有周期運(yùn)動(dòng)、周期3 運(yùn)動(dòng)及復(fù)雜的擬周期運(yùn)動(dòng)。在擬周期運(yùn)動(dòng)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(duì)中平行量對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)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(yùn)動(dòng)，其振幅不斷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)由周期運(yùn)動(dòng)演變?yōu)閿M周期運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出豐富的非線性動(dòng)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(jí)數(shù)，推導(dǎo)出不平衡磁拉力的具體解析表達(dá)式，建立了水輪發(fā)電機(jī)組軸系非線性電磁振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究了機(jī)組轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流及轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)機(jī)組軸系振動(dòng)的影響。結(jié)果表明，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過程中，發(fā)電機(jī)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(lì)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(yùn)動(dòng)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(duì)隨著水輪發(fā)電機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)參數(shù)的提高，作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的密封水流激振力將顯著增大，容易導(dǎo)致機(jī)組異常振動(dòng)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(jī)組密封軸系非線性動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)地分析了機(jī)組導(dǎo)軸承的振動(dòng)特性和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。研究表明，各導(dǎo)軸承運(yùn)動(dòng)振幅隨轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏