基于动载荷识别和数值计算的水轮发电机组稳定性研究

论文摘要

水电机组的安全稳定运行一直是全世界水电行业关注的焦点问题之一,尤其近年来大容量水轮发电机组和高水头抽水蓄能电站的建设和投产,使机组的稳定运行问题显得尤为重要。水轮发电机组关键结构部件动载荷的大小是影响机组稳定性的重要因素。为此,本文研究了水轮发电机组重要受力部件的轴向和径向动载荷反演识别技术。通过电站实测与有限元计算等手段从正向研究激励可能引发的系统响应,以动载荷识别手段从反向研究响应对应的激励特性,提出了反演识别水轮发电机组轴向和径向动载荷的新方法,为水轮发电机组的振源识别和故障诊断提供了新的研究手段,并以此为基础,针对实际电站的具体问题,展开了以下三方面的研究：研究并发展了快速确定水轮发电机组转子不平衡质量点相位的新方法,并首次应用动载荷识别技术通过实测和有限元计算反演出了机组下机架受到的径向质量不平衡力,估算出了转子不平衡质量的大小,为配重块加载提供了依据,减少了配重实验次数。对某轴流转桨式水轮发电机组进行了动平衡试验,准确判断出了转子不平衡质量点的相位,并估算出了合理的不平衡质量,通过配重,极大地改善了机组的振动情况,验证了该方法的准确性与实用性。针对某电站水力激励力引起的水轮发电机组上机架共振问题,首次通过实测振动数据和有限元计算结果对机组上机架推力轴承受到的轴向水推力进行了反演计算,为振源识别提供了依据。根据共振分析结果,提出了顶盖加压补气的减振方案,通过补气改变了水轮机流道内特殊压力脉动的频率,使其避开了机组上机架结构的共振频率,为解决水力激励力引起的机组共振问题提供了新思路。研究了迷宫间隙压力脉动对抽水蓄能机组稳定性的影响,发现机组水导摆度、顶盖垂直和水平振动与迷宫间隙压力脉动的频率特性具有强相干性；获得了迷宫间隙内压力脉动的分布规律和主要频率特性,即叶片通过频率及其倍频是其关键频率；采用动载荷识别技术对顶盖受到的轴向力进行了反演计算,并与流动计算结果进行了对比,建立了流动特性与振动响应之间的传递关系,进一步认识了迷宫间隙压力脉动对抽水蓄能机组稳定性的影响机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 水轮发电机组数值模拟与测试技术研究现状
• 1.3 动态载荷识别技术研究现状
• 1.4 水轮发电机组稳定性研究中存在的问题
• 1.5 本论文的主要研究工作
• 第二章 水轮机数值计算及测试信号分析理论
• 2.1 水轮机流动数值模拟基本理论
• 2.2 水轮机动力特性分析基本理论
• 2.3 水轮机稳定性信号分析方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 水轮发电机组时域动载荷识别技术研究
• 3.1 时域动载荷识别理论
• 3.2 水电机组关键部件动载荷识别技术
• 3.3 水轮发电机组主要部件动载荷反演流程
• 3.4 本章小结
• 第四章 动平衡试验中的相位识别及质量不平衡力反演研究
• 4.1 水轮发电机组的不平衡力
• 4.2 转子动平衡试验中的相位识别方法
• 4.3 配重块加载位置对动平衡效果的影响
• 4.4 轴流转桨式水轮发电机组转子动平衡试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于动载荷识别的水轮机振动分析及补气减振研究
• 5.1 水轮机水力稳定性问题
• 5.2 上机架共振分析及轴向水推力反演计算
• 5.3 上机架顶盖加压补气减振研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 迷宫间隙流动对抽水蓄能机组稳定性的影响研究
• 6.1 抽水蓄能机组稳定性试验及结果分析
• 6.2 抽水蓄能机组顶盖轴向动载荷反演计算
• 6.3 考虑迷宫间隙的抽水蓄能机组全流道数值模拟
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 发表的学术论文
• 获奖情况
• 参与的研究项目