水轮发电机组轴系动力特性分析及轴线精度检测方法研究

论文摘要

现代水电工业中的关键设备水轮发电机组正向着大型化、复杂化、高速化、大功率方向发展，机组结构日趋复杂，集成化程度越来越高，不同部件之间的相互联系、耦合也更加紧密，这就给机组的管理、维护、监测、诊断工作提出了更高要求。其中的机组振动和稳定性问题已经引起电力与机组制造行业的普遍关注，是水电行业亟待解决的关键课题。作为一种特殊的旋转机械，水轮发电机组的工作介质为水，由于其工况的特殊性，其振动特性与一般动力机械相比存在较大差异，因此针对水力机组而展开的相关研究，具有较高的理论和工程应用价值。 本文针对实际机组，通过建立机组动力学模型，深入研究了大型水力机组轴系的横向动力特性、振动信号提取以及为减小机组轴系横向振动、保证机组稳定运行，在机组装调中高精度直线测量基准的实现方法。论文的主要内容如下： 1、水轮发电机组自振特性的研究。提出了水轮发电机组大尺寸轴系轴段划分长度的计算方法；根据立式机组的布局特点，分析了导轴承轴颈中心运动轨迹的特征，指出了卧式滑动轴承设计理论的不适用性，确立了立式机组油膜力计算模型的适用理论方法，计算了在该模型条件下导轴承刚度与偏心率之间的关系，分析了导轴承刚度变化对轴系横向振动的三阶临界转速和模态振型的影响，给出了三个导轴承在安装、调整时应达到的刚度取值；计算分析了不平衡电磁拉力所提供的负刚度对机组临界转速的影响。 2、水轮发电机组轴系横向动力特性的研究。通过对导轴承油膜力、发电机电磁拉力、不同结构形式密封中产生的径向推力的理论分析，建立了具有局部非线性特征的机组轴系动力学模型。提出了一种基于Wilson-θ法的预估-校正格式的非线性动力响应的无条件稳定迭代方法，提高了收敛速度。采用Wilson-θ法和Riccati传递矩阵法对实际水轮发电机组轴系动态响应进行了计算分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 水轮发电机组轴系横向动力特性的研究
• 1.2.2 故障诊断中的现代信号分析方法
• 1.2.3 转子动静碰摩故障的研究
• 1.2.4 大型设备直线度、垂直度检测方法研究
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 水轮发电机组横向自振特性的研究
• 2.1 前言
• 2.2 转子质量的离散化
• 2.3 计算临界转速的传递矩阵法
• 2.4 导轴承刚度对临界转速和模态振型的影响
• 2.4.1 导轴承刚度的解析表达
• 2.4.2 导轴承刚度变化对机组临界转速的影响
• 2.4.3 导轴承刚度变化对机组模态振型的影响
• 2.5 不平衡电磁拉力对临界转速的影响
• 2.6 本章小节
• 3 水轮发电机组轴系非线性力学模型的建立
• 3.1 前言
• 3.2 机组轴系的建模
• 3.2.1 导轴承
• 3.2.2 不平衡电磁拉力
• 3.2.3 密封
• 3.2.4 推力轴承
• 3.2.5 机架
• 3.3 本章小节
• 4 水轮发电机组轴系耦合动力特性分析
• 4.1 前言
• 4.2 机组轴系耦合动力响应计算方法
• 4.2.1 结点的运动微分方程
• 4.2.2 机组轴系耦合动力响应计算方法
• 4.2.3 单元传递矩阵
• 4.2.4 初始时刻各结点的初始加速度
• 4.2.5 t+（θ△t）瞬时各结点的位移
• 4.2.6 t+（θ△t）时刻各外力、外力矩项的数值计算
• 4.2.7 t+（θ△t）时刻导轴承处机架的位移、速度的求解
• 4.3 基于 Wilson-θ法的预估-校正迭代方法
• 4.4 机组轴系动力响应计算分析
• 4.4.1 瞬时激励的瞬态响应计算
• 4.4.2 不平衡激励下的响应计算
• 4.4.3 机组轴系碰摩响应计算
• 4.5 本章小节
• 5 小波分析在水电机组振动信号分析中的应用
• 5.1 前言
• 5.2 小波变换与小波包变换
• 5.2.1 小波变换
• 5.2.2 多分辨分析
• 5.2.3 小波包分析
• 5.3 小波包分析在机组转子不平衡测试中的应用
• 5.3.1 试验机组概况
• 5.3.2 机组不平衡测试原理
• 5.3.3 机组不平衡测试实验数据分析
• 5.4 基于小波包分解的机组转子动静碰摩的故障诊断
• 5.4.1 信号奇异性检测原理
• 5.4.2 早期碰摩故障的信号数值仿真及小波包分析
• 5.5 木章小节
• 6 减小机组轴系横向振动的有效途径——轴系安装中高精度直线检测安装基准实现方法的研究
• 6.1 前言
• 6.2 立式水电机组轴线测量方法的研究
• 6.2.1 立式水轮发电机组轴线常规检测方法
• 6.2.2 机组轴线测量新方法
• 6.2.3 测量装置稳定性测试分析
• 6.3 卧式水轮发电机组水平检测基准的实现
• 6.3.1 卧式机组基础底板的安装调整
• 6.3.2 问题的提出
• 6.3.3 双丝法对张丝直线基准的修正
• 6.3.4 双丝修正法可行性试验验证
• 6.3.5 金属丝单位线载荷变化对测量结果的影响
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 7.1 主要工作及结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间主持的科研项目