水电站机组振动及其与厂房的耦联振动研究

论文摘要

随着水电建设的快速发展，机组容量和尺寸急剧增大，转速相应提高，机组振动及其诱发的水电站厂房结构振动问题日益突出，成为目前研究的热点和难点。我国已建的一些高水头、大容量水电站，出现了明显的振动问题，影响了机组的正常运行。针对这些实际问题，对机组振源和振动的研究更加紧迫。本文分析了水轮机密封系统的非线性动力特性，研究了水轮发电机组支承结构即导轴承、推力轴承的动力特性，探讨了机组动荷载传递方式。通过研究厂房、机组及其传力系统振动力学模型的建立，分析机组与厂房的动力特性，从而为机组和厂房结构的动力优化设计和振动控制提供理论指导和技术依据，具有重要的科学意义和工程价值。 第一章绪论部分介绍了水电站机组与厂房结构的振动问题和研究现状，对机组支承结构即导轴承、推力轴承动力特性、水轮机迷宫密封系统振动特性及机组动荷载作用方式及传递途径进行了简要的描述。 第二章用有限元法建立了水轮发电机组轴系振动力学模型，计算机组轴系统横向振动的自振频率，研究分析立式机组轴系统的稳定性。通过改变系统各参量，对机组临界转速和动力反应进行了敏感性分析，提出对振源控制和机组轴系统结构优化的建议，为合理选择机组形式和优化支承结构提供依据。 第三章研究了推力轴承与导轴承对水轮发电机组的耦合作用。用有限元法建立了轴系横向振动力学模型，采用复模态分析方法计算了机组轴系统横向回转振动的自振频率及临界转速。分析了推力轴承与导轴承耦合作用对立式机组轴系统稳定性的影响。 第四章分析了在Muszynska非线性密封力作用下水轮机转轮密封系统自激振动的动力特性，研究迷宫密封对水轮机转轮系统动力稳定性的影响。分别采用Muszvnska非线性密封力模型与八参数线性模型，分析了密封结构对系统运动特性的影响。 第五章研究弹性支承对水轮机密封系统的影响。本章在上一章的基础上假设采用短轴承支承，用非线性油膜力模拟系统的弹性支承，建立弹性支承水轮机密封系统力学模型，并与刚性支承进行对比，分析临界失稳转速的变化情况。 第六章考虑了导轴承动力特性的不固定性，研究机组与厂房耦合系统的动力学问题，揭示耦联振动的机理，建立了水电站机组与厂房的耦联振动模型，分析机组与厂房的动力特性及其相互影响。通过不同计算模型的比较，探讨水电站机组与厂房的相互作用机理，为以后的水电站厂房、水轮发电机组的抗振设计提供有益的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的工程背景及研究意义
• 1.2 研究的发展和现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 抽水蓄能电站机组轴系统横向振动研究
• 2.1 引言
• 2.2 机组轴系统计算模型描述
• 2.3 机组轴系统横向振动的有限元计算
• 2.3.1 矩阵分析计算
• 2.3.2 子空间迭代法
• 2.3.3 移位迭代
• 2.3.4 计算程序功能介绍
• 2.4 机组轴系统的动力反应
• 2.4.1 作用在轴系上的外力
• 2.4.2 计算程序功能介绍
• 2.5 计算结果及分析
• 2.5.1 轴系统的各阶临界转速和相应的振型
• 2.5.2 轴系统的不平衡响应
• 2.5.3 回转振动特性的敏感性分析
• 2.6 小结
• 3 推力轴承与导轴承耦合作用下水电机组横向振动研究
• 3.1 引言
• 3.2 水轮发电机组的布置型式
• 3.3 推力轴承的动力特性
• 3.4 导轴承的动力特性
• 3.5 系统的运动方程
• 3.6 算例及结果分析
• 3.6.1 计算模型基本数据
• 3.6.2 计算结果及分析
• 3.7 小结
• 4 刚性支承水轮机密封系统非线性动力稳定性的研究
• 4.1 引言
• 4.2 非线性动力系统的基本理论
• 4.2.1 非线性系统的特点
• 4.2.2 稳定性理论及分岔的基本概念
• 4.3 水轮发电机组的自激振动
• 4.3.1 自激振动的基本特征
• 4.3.2 水轮发电机组产生自激振动的几种原因
• 4.4 水轮机密封系统动力学特性分析
• 4.4.1 密封力模型
• 4.4.2 水轮机密封系统动力学方程
• 4.4.3 稳定性分析
• 4.4.4 计算结果及分析
• 4.4.5 系统失稳后的处理对策
• 4.5 小结
• 5 弹性支承水轮机密封系统非线性动力稳定性的研究
• 5.1 引言
• 5.2 弹性支承水轮机密封系统动力学方程
• 5.3 油膜力的计算
• 5.4 系统运动微分方程的无量纲化
• 5.5 系统稳定性及数值模拟
• 5.6 本章小结
• 6 水电站机组与厂房耦联振动研究
• 6.1 引言
• 6.2 导轴承动态特性分析
• 6.2.1 导轴承动态特性概述
• 6.2.2 导轴承的动力润滑分析
• 6.3 不同支承结构对水轮发电机组动力特性的影响
• 6.3.1 水轮发电机组计算模型
• 6.3.2 机组轴系统的动力特性分析
• 6.4 不同的机械动荷载传递方式对水电站动力特性的影响
• 6.4.1 水电站厂房计算模型
• 6.4.2 机械动荷载传递方式
• 6.4.3 厂房自振特性分析
• 6.4.4 水电站厂房的动力特性分析
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文工作的主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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