基于时域仿真的汽轮机轴系疲劳寿命研究

论文摘要

电力系统中任意一种扰动都会导致汽轮机轴系扭转力矩的变化,其变化的历程会导致轴系疲劳的损耗,当损耗积累到一定程度便会发生轴系的疲劳破坏从而导致机轴断裂,电机停运甚至更加严重的事故。本文基于电磁暂态时域仿真软件PSCAD/EMTDC,系统详细的论述了汽轮机轴系的疲劳寿命估算方法。其主要内容包括：1)介绍了一般金属材料的疲劳特性,以及在材料科学中估算疲劳寿命的一般理论与方法。2)介绍了汽轮机轴系在时域仿真中的建模方法以及轴系参数各种单位制下的换算方法。3)通过对不同阻尼分量的研究,指出汽轮机组轴系扭振时域仿真模型中应重点考虑的阻尼分量；基于在机械振动领域广泛应用的复模态分析理论,建立了轴系扭振模态阻尼与阻尼系数矩阵之间的关系；进一步提出了一种对阻尼系数矩阵进行迭代计算的算法。4)基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC,采用名义应力法和局部应力应变法估算了一示例系统远端母线三相接地故障下的汽轮机轴系的累积损伤,验证两种方法的可行性,同时分析了载荷顺序、雨流法中半循环周期应力的等效方法以及扭转弹性模量对估算结果精度的影响。最后对这两种估算方法做了比较。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 疲劳的破坏机制
• 1.3 汽轮机轴系疲劳国内外的研究历史
• 1.4 疲劳加载的方式
• 1.5 汽轮机轴系疲劳研究的工具与方法
• 1.5.1 PSCAD/EMTDC
• 1.5.2 疲劳研究的方法
• 1.6 影响汽轮机轴系疲劳的主要因素
• 1.6.1 环境温度的影响
• 1.6.2 零件尺寸的影响
• 1.6.3 表面加工方法
• 1.6.4 平均应力的影响
• 1.7 本文所做的工作
• 第二章 材料的特性与疲劳研究理论
• 2.1 疲劳研究中的名词与术语
• 2.2 材料特性
• 2.2.1 材料的静态加载特性和循环加载特性
• 2.2.2 应力集中
• 2.2.3 循环硬化和循环软化
• 2.2.4 材料的记忆特性
• 2.2.5 材料的S-N曲线
• 2.2.6 平均应力
• 2.2.7 材料的应变寿命曲线
• 2.3 疲劳估算的研究理论
• 2.3.1 应力历程的统计处理方法
• 2.3.1.1 局部应力应变分析
• 2.3.1.2 应力历程的压缩过程
• 2.3.1.3 循环计数方法
• 2.3.2 累积损伤理论
• 2.3.2.1 线性累积损伤理论
• 2.3.2.2 非线性累积损伤理论
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于时域仿真的汽轮机轴系模型
• 3.1 汽轮发电机的机电系统
• 3.2 汽轮发电机的力学模型分类
• 3.3 PSCAD中汽轮发电机轴系的力学模型
• 3.4 单位换算示例分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于时域仿真的互阻尼系数计算
• 4.1 互阻尼系数的计算过程
• 4.2 计算实例
• 4.3 本章小结
• 第五章 两种基于时域仿真的汽轮机轴系疲劳寿命估算方法
• 5.1. 示例电力系统模型
• 5.2. 名义应力法估算汽轮机轴系的累积损伤
• 5.2.1 名义应力法步骤
• 5.2.2 名义应力法示例
• 5.3 局部应力-应变法估算汽轮机轴系的累积损伤
• 5.3.1 局部应力-应变法步骤
• 5.3.2 局部应力-应变法示例
• 5.4. 影响轴系累积损伤的因素
• 5.4.1 载荷顺序影响
• 5.4.2 半循环周期应力影响
• 5.4.3 扭转模量的影响
• 5.5. 两种方法比较
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读硕士学位期间发表和录用的论文