【摘要】：水電機(jī)組的振動(dòng)特性研究是支撐水電站安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jī)組的裝機(jī)容量越來(lái)越高,結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,其振動(dòng)與穩(wěn)定性問(wèn)題也日益突出。在任何動(dòng)力機(jī)械中,結(jié)構(gòu)振動(dòng)都是十分嚴(yán)峻的問(wèn)題,它可能造成機(jī)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(wèn)題。因此,長(zhǎng)期以來(lái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)一直都是理論與工程研究的焦點(diǎn)問(wèn)題。而處在水機(jī)電多場(chǎng)耦合作用下的水力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題更為復(fù)雜,除了由機(jī)械因素引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)外,還存在發(fā)電機(jī)部分的電磁激振、水輪機(jī)部分的水力激振,各激勵(lì)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(wèn)題與工程技術(shù)難題。水力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析模型是開(kāi)展上述研究的關(guān)鍵所在,是振動(dòng)機(jī)理研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的采用了簡(jiǎn)化與等效思想的基于數(shù)值解析法動(dòng)力學(xué)建模,無(wú)法準(zhǔn)確的刻畫(huà)機(jī)組振動(dòng)的真實(shí)響應(yīng)特性,工程實(shí)用價(jià)值不高,制約了振動(dòng)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(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的研究與發(fā)展。為此,本文以對(duì)水機(jī)電多場(chǎng)耦合下的振動(dòng)機(jī)理的探索為切入點(diǎn),建立了基于計(jì)算流體動(dòng)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(dòng)特性分析模型、基于二維電磁和三維結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合振動(dòng)特性分析模型以及抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程流場(chǎng)仿真模型,以理論模型研究與工程實(shí)際案例相結(jié)合的方式,針對(duì)水力發(fā)電機(jī)組固定導(dǎo)葉、發(fā)電機(jī)定子機(jī)座與水泵水輪機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展了深入的研究,分析了振動(dòng)產(chǎn)生的原因,解析了其中流場(chǎng)與電磁場(chǎng)的分布規(guī)律及演化機(jī)理,提出了相應(yīng)的優(yōu)化改造對(duì)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(guó)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(jī)雙列葉柵流場(chǎng)仿真分析模型,設(shè)計(jì)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(yàn),探明了葉型輪廓參數(shù)對(duì)卡門(mén)渦街流態(tài)特性與演化規(guī)律的影響。進(jìn)一步,搭建了基于計(jì)算流體動(dòng)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(mén)渦街?jǐn)_動(dòng)下的振動(dòng)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(zhǎng)度以及壓力脈動(dòng)幅值為性能指標(biāo),創(chuàng)新性的提出了水輪機(jī)固定導(dǎo)葉智能優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)固定導(dǎo)葉葉型輪廓的多目標(biāo)智能優(yōu)化,并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。(2)針對(duì)發(fā)電機(jī)定子機(jī)座異常振動(dòng)現(xiàn)象普遍、振動(dòng)產(chǎn)生原因不明的問(wèn)題,以國(guó)內(nèi)某水電站故障機(jī)組為研究對(duì)象,搭建了二維電磁與三維結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合有限元振動(dòng)分析模型,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。進(jìn)一步,以該模型為研究手段,解析了電磁激振的產(chǎn)生機(jī)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(duì)電磁激振的影響,并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了該機(jī)組的振動(dòng)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(shí)用價(jià)值。(3)為實(shí)現(xiàn)對(duì)抽水蓄能機(jī)組復(fù)雜水力過(guò)渡過(guò)程流場(chǎng)演化機(jī)理研究,以江西洪屏抽水蓄能電站機(jī)組為研究對(duì)象,從基于特征線(xiàn)法的一維仿真和基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的三維仿真兩種思路出發(fā),建立了抽水蓄能機(jī)組精細(xì)化水力過(guò)渡過(guò)程仿真模型,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)真機(jī)試驗(yàn)證明了仿真模型的有效性與準(zhǔn)確性。進(jìn)一步,求解了水泵工況斷電過(guò)渡過(guò)程的水力特性參數(shù)與流場(chǎng)分布情況,詳細(xì)闡述了該過(guò)渡過(guò)程復(fù)雜的流場(chǎng)演化規(guī)律,為后續(xù)的關(guān)鍵設(shè)備振動(dòng)研究奠定了理論基礎(chǔ)。(4)針對(duì)抽水蓄能機(jī)組水泵工況斷電過(guò)渡過(guò)程水力不穩(wěn)定問(wèn)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(lì)條件加載到結(jié)構(gòu)模型上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組主軸軸系與水泵水輪機(jī)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(jī)電參數(shù)對(duì)主軸軸系振動(dòng)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(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM312
【圖文】：

圖2-1雙列葉柵網(wǎng)格劃分模型

圖 2-2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.3.2 湍流模型流體的流動(dòng)狀態(tài)分為兩種形式：層流與湍流。當(dāng)雷諾數(shù)低于某一臨界值時(shí)，流體的流動(dòng)平滑而有序，這種狀態(tài)被稱(chēng)為層流。相反，當(dāng)雷諾數(shù)高于這個(gè)臨界值時(shí)，流體的流動(dòng)會(huì)發(fā)生極為復(fù)雜的變化，呈現(xiàn)出無(wú)序、無(wú)規(guī)律的混亂狀態(tài)，這種狀態(tài)被稱(chēng)為湍流。湍流流動(dòng)是自然界中極為常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，而在水輪機(jī)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(duì)水輪機(jī)的工作性能、機(jī)械效率、空化性能以及疲勞強(qiáng)度都有著極大的影響。因此，非常有必要對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性開(kāi)展深入的研究，而且在數(shù)值模擬時(shí)必須引入湍流理論。湍流的數(shù)值模擬方法通�？梢院�(jiǎn)單的分為兩種：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(duì)流體連續(xù)性方程與動(dòng)量方程進(jìn)行求解，而不對(duì)湍流做任何近似或簡(jiǎn)化處理。這種計(jì)算方法簡(jiǎn)便、直接、準(zhǔn)確，但由于湍流運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，導(dǎo)致運(yùn)算量巨大，對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存與計(jì)算速度要求太高，

[145]中被證明了有效性，并解決了工程實(shí)際問(wèn)題。振動(dòng)試驗(yàn)的傳感器布置測(cè)點(diǎn)位置如圖 2-3 所示。圖 2-3 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)安裝位置圖圖 2-4 是該水輪發(fā)電機(jī)在不同負(fù)荷條件下固定導(dǎo)葉振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖�？梢园l(fā)現(xiàn)，

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2796149