【摘要】：水電機組的振動特性研究是支撐水電站安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的重要保障。在水電行業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下,水力發(fā)電機組的裝機容量越來越高,結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,其振動與穩(wěn)定性問題也日益突出。在任何動力機械中,結(jié)構(gòu)振動都是十分嚴峻的問題,它可能造成機組關(guān)鍵部件的疲勞損傷,誘發(fā)裂紋產(chǎn)生,導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)破壞、彎曲、斷裂,甚至引發(fā)災(zāi)難性的安全問題。因此,長期以來結(jié)構(gòu)振動一直都是理論與工程研究的焦點問題。而處在水機電多場耦合作用下的水力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)振動問題更為復(fù)雜,除了由機械因素引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動外,還存在發(fā)電機部分的電磁激振、水輪機部分的水力激振,各激勵互相耦合、互相影響,其普遍性與復(fù)雜性使之成為了水電行業(yè)內(nèi)亟待解決的科學(xué)前沿問題與工程技術(shù)難題。水力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)振動分析模型是開展上述研究的關(guān)鍵所在,是振動機理研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的采用了簡化與等效思想的基于數(shù)值解析法動力學(xué)建模,無法準確的刻畫機組振動的真實響應(yīng)特性,工程實用價值不高,制約了振動故障診斷、結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造、結(jié)構(gòu)受力分析與壽命計算等關(guān)鍵技術(shù)的研究與發(fā)展。為此,本文以對水機電多場耦合下的振動機理的探索為切入點,建立了基于計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)和有限元方法(finite element method,FEM)的流固耦合(fluid-structure interaction,FSI)振動特性分析模型、基于二維電磁和三維結(jié)構(gòu)的機電耦合振動特性分析模型以及抽水蓄能機組過渡過程流場仿真模型,以理論模型研究與工程實際案例相結(jié)合的方式,針對水力發(fā)電機組固定導(dǎo)葉、發(fā)電機定子機座與水泵水輪機關(guān)鍵設(shè)備的振動問題開展了深入的研究,分析了振動產(chǎn)生的原因,解析了其中流場與電磁場的分布規(guī)律及演化機理,提出了相應(yīng)的優(yōu)化改造對策,并取得了一定的理論成果與方法創(chuàng)新。研究成果在我國江西靖安洪屏抽水蓄能電站得到了成功應(yīng)用,本文主要的研究成果與創(chuàng)新如下:(1)建立了水輪機雙列葉柵流場仿真分析模型,設(shè)計了以出流邊厚度、圓角、傾斜角和尾緣形狀等為控制變量的正交試驗,探明了葉型輪廓參數(shù)對卡門渦街流態(tài)特性與演化規(guī)律的影響。進一步,搭建了基于計算流體動力學(xué)和流固耦合方法的固定導(dǎo)葉流致激振分析模型,獲得了固定導(dǎo)葉在卡門渦街擾動下的振動響應(yīng)特性、葉片應(yīng)力分布及疲勞壽命。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與智能算法,以脫落頻率、能量損失、尾跡長度以及壓力脈動幅值為性能指標,創(chuàng)新性的提出了水輪機固定導(dǎo)葉智能優(yōu)化模型,實現(xiàn)了對固定導(dǎo)葉葉型輪廓的多目標智能優(yōu)化,并成功應(yīng)用于工程實踐。(2)針對發(fā)電機定子機座異常振動現(xiàn)象普遍、振動產(chǎn)生原因不明的問題,以國內(nèi)某水電站故障機組為研究對象,搭建了二維電磁與三維結(jié)構(gòu)的機電耦合有限元振動分析模型,仿真實驗結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)吻合良好。進一步,以該模型為研究手段,解析了電磁激振的產(chǎn)生機理,深入探索了定轉(zhuǎn)子偏心、轉(zhuǎn)子不圓以及立筋結(jié)構(gòu)等因素對電磁激振的影響,并結(jié)合實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了該機組的振動故障的原因并給出相應(yīng)的優(yōu)化改造建議,提供了一種新的故障診斷思路,具有重要的理論研究意義與較高的工程實用價值。(3)為實現(xiàn)對抽水蓄能機組復(fù)雜水力過渡過程流場演化機理研究,以江西洪屏抽水蓄能電站機組為研究對象,從基于特征線法的一維仿真和基于計算流體動力學(xué)的三維仿真兩種思路出發(fā),建立了抽水蓄能機組精細化水力過渡過程仿真模型,并通過仿真實驗與現(xiàn)場真機試驗證明了仿真模型的有效性與準確性。進一步,求解了水泵工況斷電過渡過程的水力特性參數(shù)與流場分布情況,詳細闡述了該過渡過程復(fù)雜的流場演化規(guī)律,為后續(xù)的關(guān)鍵設(shè)備振動研究奠定了理論基礎(chǔ)。(4)針對抽水蓄能機組水泵工況斷電過渡過程水力不穩(wěn)定問題,采用三維有限元結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法,將不平衡磁拉力、水力轉(zhuǎn)矩等激勵條件加載到結(jié)構(gòu)模型上,實現(xiàn)了對機組主軸軸系與水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的瞬態(tài)響應(yīng)分析。在此基礎(chǔ)上,綜合分析了水機電參數(shù)對主軸軸系振動特性的影響,求解了不同工況下轉(zhuǎn)輪的變形情況與受力分布,為機組的安全穩(wěn)定運行提供了科學(xué)指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM312
【圖文】：

圖2-1雙列葉柵網(wǎng)格劃分模型

圖 2-2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證實驗結(jié)果2.3.2 湍流模型流體的流動狀態(tài)分為兩種形式：層流與湍流。當雷諾數(shù)低于某一臨界值時，流體的流動平滑而有序，這種狀態(tài)被稱為層流。相反，當雷諾數(shù)高于這個臨界值時，流體的流動會發(fā)生極為復(fù)雜的變化，呈現(xiàn)出無序、無規(guī)律的混亂狀態(tài)，這種狀態(tài)被稱為湍流。湍流流動是自然界中極為常見的一種現(xiàn)象，而在水輪機中，絕大部分區(qū)域都屬于這種充分發(fā)展的湍流狀態(tài)。劇烈變化的湍流對水輪機的工作性能、機械效率、空化性能以及疲勞強度都有著極大的影響。因此，非常有必要對水輪機內(nèi)部的流動特性開展深入的研究，而且在數(shù)值模擬時必須引入湍流理論。湍流的數(shù)值模擬方法通�？梢院唵蔚姆譃閮煞N：直接數(shù)值模擬 DNS(directnumerical simulation)與非直接數(shù)值模擬。DNS 就是直接對流體連續(xù)性方程與動量方程進行求解，而不對湍流做任何近似或簡化處理。這種計算方法簡便、直接、準確，但由于湍流運動極其復(fù)雜，導(dǎo)致運算量巨大，對計算機的內(nèi)存與計算速度要求太高，

[145]中被證明了有效性，并解決了工程實際問題。振動試驗的傳感器布置測點位置如圖 2-3 所示。圖 2-3 振動試驗測點安裝位置圖圖 2-4 是該水輪發(fā)電機在不同負荷條件下固定導(dǎo)葉振動信號的頻譜圖�？梢园l(fā)現(xiàn)，

【參考文獻】

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本文編號：2796149