本文關鍵詞： 蓄能機組 轉子動力學 推力軸承 熱彈流潤滑 流固熱耦合　出處：《清華大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：在水力、機械、電磁等多種復雜因素的影響下,尤其是在工況轉換過程中,抽水蓄能機組的軸系振動問題非常突出。推力軸承作為承受軸向載荷的核心部件,在頻繁的開停機過程中容易發(fā)生磨損故障,直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。推力軸承潤滑特性本質上是典型的流、固、熱三場耦合問題。開展水、機、電三方面因素對蓄能機組軸系動力學特性的影響分析以及推力軸承熱彈流潤滑特性研究具有重要意義。本研究主要展開了以下三方面的工作:應用轉子動力學有限元法深入研究了機架系統(tǒng)、發(fā)電機不平衡磁拉力、滑動軸承剛度系數(shù)對蓄能機組軸系模態(tài)特性的影響,并進行了水輪機穩(wěn)態(tài)工況和開機、停機過渡過程工況的軸系動力響應分析。建立了綜合考慮不平衡磁拉力和包含機架系統(tǒng)的軸系動力學分析模型,能夠更加準確地描述蓄能機組軸系機械-電磁耦合關系。此外,發(fā)現(xiàn)了轉輪內(nèi)部不對稱流動引起的間隙內(nèi)部壓力不均是轉輪水力不平衡力的主要來源。計算得到的穩(wěn)態(tài)工況和過渡過程工況軸系擺度和軸向振動的結果與實測基本吻合,提供了一種新的分析軸系響應的方法。應用流、固、熱耦合的方法深入研究了蓄能機組雙向可傾瓦推力軸承熱彈流潤滑特性。通過引入附加人工阻尼來遲滯瓦塊和推力頭的運動速度,保證了油膜厚度在迭代過程中的收斂性。分析了軸承瓦塊自適應傾斜機理及油膜熱量耗散特性,獲得了油膜熱油轉移因子和瓦塊自由表面對流換熱系數(shù)。重點探討了瓦塊支撐徑向和周向偏心率對潤滑性能的影響。研究了蓄能機組在水輪機工況和水泵工況開停機過程中的瞬態(tài)熱彈流特性。分析了高壓油頂起狀態(tài)軸承靜壓潤滑特性,探討了變速過程中油膜壓力、溫度、厚度等特性的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了瓦面傾斜角相對轉速的滯后性,以及升速過程中瓦面的快速溫升導致瓦面產(chǎn)生顯著的瞬態(tài)熱變形,而降速過程中瓦面的快速溫降則有助于減小瓦面的瞬態(tài)熱變形。本文的研究揭示了推力軸承瞬態(tài)熱彈流潤滑機理,為蓄能機組推力軸承的優(yōu)化設計和安全運行提供了有力的技術指導。
[Abstract]:Under the influence of many complicated factors, such as hydraulic, mechanical, electromagnetic and so on, especially in the process of changing working conditions, the vibration problem of shaft system of pumped storage unit is very prominent. In the course of frequent opening and downtime, it is easy to occur wear and tear failure, which directly affects the safe and stable operation of the unit. The lubrication characteristics of thrust bearings are essentially a typical coupling problem of flow, solid and heat fields. The influence of three aspects of electricity on the dynamic characteristics of shafting of storage units and the study of thermo-elastohydrodynamic lubrication of thrust bearings are of great significance. The main work of this study is as follows: the application of rotor dynamics. The finite element method is used to study the frame system. The influence of the unbalanced magnetic pull force and the stiffness coefficient of sliding bearing on the modal characteristics of the shafting of the storage unit are carried out, and the steady condition and start-up of the turbine are carried out. The dynamic response of shafting under transient condition of shutdown is analyzed. A dynamic analysis model of shafting with unbalanced magnetic tension and frame system is established, which can more accurately describe the mechanical-electromagnetic coupling relationship of shafting of storage units. It is found that the uneven pressure in the gap caused by asymmetric flow in the runner is the main source of the hydraulic unbalance force of the runner. The calculated results of shafting pendulum and axial vibration under steady and transient conditions are in good agreement with the measured results. A new method for analyzing shafting response is provided. The thermo-elastohydrodynamic lubrication characteristics of the bidirectional tilting pad thrust bearing of a storage unit are studied by means of thermal coupling. The velocity of the tile and thrust head is retarded by the introduction of additional artificial damping. The convergence of the oil film thickness in the iterative process is ensured. The adaptive tilting mechanism of the bearing tile and the heat dissipation characteristics of the oil film are analyzed. The oil film heat oil transfer factor and convection heat transfer coefficient of tile free surface are obtained. The influence of radial and circumferential eccentricity of tile support on lubrication performance is discussed. Transient thermoelastohydrodynamic characteristics during shutdown. The hydrostatic lubrication characteristics of bearings with high pressure oil jacking state are analyzed. The variation law of oil film pressure, temperature, thickness and other characteristics in the process of changing speed is discussed. It is found that the lag property of the relative rotational speed of the tilting angle of the tile surface and the remarkable transient thermal deformation of the tile surface caused by the rapid temperature rise of the tile surface in the process of raising the speed. However, the rapid temperature drop of the bearing surface is helpful to reduce the transient thermal deformation of the bearing surface during the deceleration process. In this paper, the mechanism of transient thermo-elastohydrodynamic lubrication of thrust bearing is revealed. It provides powerful technical guidance for optimization design and safe operation of thrust bearing of storage unit.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TV743;TV734

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