三峡电厂引水系统水体共振研究

论文摘要

三峡电厂左岸机组在过速实验的关机过程中,当活动导叶开度约为4%,转速约为73 rpm时,机组出现了强烈的异常振动现象。经分析,振动的频率是1.359 Hz。其他结构部件的振动虽然有比较高的频率存在,但都受到了1.359 Hz的影响。三峡机组在极小开度下的异常振动现象,对机组安全构成了极大的威胁,也是迄今为止尚未报道过的影响。目前的水轮机稳定性理论尚无法对此作出解释,虽然供应商给出了一个解释,但是这个解释的根据并不充分,也不能为业界一致认可。根据实测与理论分析结果的判断,三峡电厂引水系统出现的异常强烈振动现象可能是由水体共振所引起。本文针对这一论点从以下两方面进行了深入的研究。首先从理论上研究了充液管道的固有频率,给出了压力管道压力脉动的控制方程,并由此方程出发导出了直圆管在开端和闭端条件下的水体固有频率计算公式。推导过程中分别考虑了管壁变形和刚性壁两种情况,并分析了影响水体固有频率的主要因素。利用此理论公式,估计了三峡电厂引水系统的实际固有频率,所得结果与实测值比较接近,从理论上证实了水体共振引发异常振动的可能性。在理论研究的基础上,采用瞬态动力响应仿真软件,按照原型参数建立三峡电厂引水系统模型,并对水体共振进行数值模拟。通过分析冲击载荷引起的水体自由振荡信号得到水体振荡主频率,并在引水管末端用平板的横向振动引入压强扰动,观察到强迫振动频率接近水体振荡主频率时发生共振,而且在整个引水管内的水体都有较强烈响应。本文分别计算了考虑管壁为刚性条件,考虑管壁为弹性可变形材料时管道外混凝土最外层结点的全约束和部分约束这样三种边界条件。计算结果表明,随着边界条件逐渐接近实际情况,引起水体共振的频率也越来越靠近实际发生的1.359 Hz异常振动频率。本文的理论分析和数值模拟的结果充分表明,三峡电厂引水系统出现的异常强烈振动现象由水体共振所引起的这一结论是合理的、可以采纳的。研究结果对于大型水轮机组防范异常振动,提高运行稳定性有重要的实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 振动原因分析
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 水轮机稳定性研究的方法介绍
• 2.1 理论分析
• 2.2 模型试验
• 2.3 真机试验
• 2.4 数值模拟
• 2.5 本章小结
• 3 水体共振计算方法
• 3.1 MSC.DYTRAN 介绍
• 3.2 MSC.DYTRAN 的拉格朗日求解器
• 3.3 MSC.DYTRAN 的欧拉分析方法
• 3.4 欧拉—拉格朗日耦合
• 3.5 ROE 求解器
• 3.6 傅立叶频谱分析和小波分析
• 3.7 本章小结
• 4 充液直圆管道水体固有频率分析
• 4.1 控制方程的推导
• 4.2 开端和闭端管道水体固有频率的计算
• 4.3 数值模拟验证
• 4.4 三峡电厂引水系统水体固有频率分析
• 4.5 本章小结
• 5 三峡电厂水体共振的数值模拟
• 5.1 水体状态方程
• 5.2 水体共振计算模型
• 5.3 冲击载荷引起的水体振荡
• 5.4 引水系统的水体共振
• 5.5 考虑管壁材料变形条件下等幅强迫振动响应
• 5.6 本章小结
• 6 结论与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者攻读学位期间发表学术论文目录