水平轴潮流发电水轮机传动系统动力学特性分析

论文摘要

本文采用计算机建模与仿真的方法讨论了200kW潮流发电水轮机的外部载荷计算、有限元建模和动力学特性分析三个方面的内容。在外部载荷计算方面，根据实际测量的潮流流速，采用五次多项式拟合得到潮流流速随时间的变化函数。运用流体动量定理计算作用于潮流发电水轮机外部载荷随时间变化的函数，包括叶轮转矩和推力随时间变化的函数。采用傅立叶级数分解对所求函数进行变换，使其成为周期变化的简谐激励。在建模方面，主要利用Pro/E软件建立了叶片、轮毂、主轴、增速器和简化后潮流发电水轮的三维模型。利用简化后的潮流发电水轮机三维模型得到.igs格式文件，然后导入ANSYS软件作为几何模型，最后对其进行网格划分，接触定义和约束载荷施加，建立潮流发电水轮机的有限元模型。在动力学特性分析方面，主要进行了潮流发电水轮机传动系统及其相关零部件的模态分析和谐响应分析。通过对重要零部件的模态分析，得到叶片和增速器的前十阶固有频率，并将其与外部激振频率相比较，判断是否发生共振；提取潮流发电水轮机前十阶模态，将其固有频率与外部激励对比分析，判断是否发生共振。通过分析在外部载荷激励、叶轮偏心激励和发电机转子偏心激励作用下潮流发电水轮机的动态响应，验证结构设计的合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 潮流发电水轮机国内外发展现状
• 1.2.1 潮流发电水轮机国内发展现状
• 1.2.2 潮流发电水轮机国外发展现状
• 1.3 机械系统动力学发展概况
• 1.3.1 机械系统动力学分析方法
• 1.3.2 传动系统动力学发展现状
• 1.4 研究内容
• 第2章 潮流发电水轮机外部载荷计算
• 2.1 潮流流速模型
• 2.2 动量定理
• 2.3 轴向推力系数及功率系数
• 2.4 转矩系数
• 2.4.1 周向诱导因子
• 2.4.2 叶轮转矩及转矩系数
• 2.5 外部载荷计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 潮流发电水轮机传动系统有限元分析模型的建立
• 3.1 水平轴潮流发电水轮机结构简介
• 3.2 机械系统动力学建模方法
• 3.3 重要零部件几何模型
• 3.3.1 叶片建模
• 3.3.2 轮毂建模
• 3.3.3 主轴和增速器建模
• 3.4 传动系统有限元分析模型的建立
• 3.4.1 有限元法的基本概念
• 3.4.2 传动系统有限元分析模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 潮流发电水轮机传动系统模态分析
• 4.1 模态分析理论基础
• 4.2 重要部件模态分析
• 4.2.1 叶片的模态分析
• 4.2.2 增速器的模态分析
• 4.3 传动系统模态分析
• 4.3.1 传动系统固有特性计算
• 4.3.2 传动系统固有特性结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 潮流发电水轮机传动系统谐响应分析
• 5.1 谐响应分析基本原理
• 5.2 谐响应载荷施加
• 5.2.1 转矩和推力函数傅立叶级数展开
• 5.2.2 叶轮和发电机转子偏心激励
• 5.2.3 载荷施加方案
• 5.3 传动系统谐响应分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果
• 致谢