[發(fā)明專利]一種水輪機(jī)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模態(tài)計(jì)算方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110662625.4
• 申請(qǐng)日: 2021-06-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113326647A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王正偉;曹景偉;田紅;多文智;崔建華;趙國(guó)正;高海玉;陳林;王明明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);甘肅省電力投資集團(tuán)有限責(zé)任公司;甘肅電投炳靈水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06T17/20;G06F17/12;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

1.一種水輪機(jī)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模態(tài)計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、水輪機(jī)軸系及轉(zhuǎn)輪周圍水體三維建模，所述水輪機(jī)包括燈泡體、定子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、徑向軸承、推力軸承、主軸、轉(zhuǎn)輪,在水輪機(jī)本體及轉(zhuǎn)輪外側(cè)為水流；

步驟2、對(duì)步驟1中所建的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以便進(jìn)行有限元分析；

步驟3、設(shè)置有限元分析的邊界條件，包含徑向軸承和推力軸承的剛度系數(shù)、水體的阻抗邊界條件、轉(zhuǎn)速、等效磁拉力剛度系數(shù)；

步驟4、求解濕模態(tài)特性，所述濕模態(tài)指轉(zhuǎn)輪在水中運(yùn)行時(shí)的模態(tài)分析，須考慮周圍水體質(zhì)量的影響；所述求解基于ANSYS Mechanical APDL軟件，并嵌入所編寫的考慮水體附加質(zhì)量的程序語(yǔ)言；根據(jù)水輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況確定需要求解的轉(zhuǎn)速范圍及所需求解的階數(shù)，選擇一定間隔進(jìn)行求解；

步驟5、對(duì)步驟4所求解的模態(tài)結(jié)果進(jìn)行分組，繪制Campbell圖。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水輪機(jī)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模態(tài)計(jì)算方法，其特征在于，所述水輪機(jī)為燈泡貫流式水輪機(jī)機(jī)組。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水輪機(jī)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模態(tài)計(jì)算方法，其特征在于，步驟4進(jìn)行求解時(shí)，基于考慮轉(zhuǎn)速影響的結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程、聲學(xué)控制方程、聲流固耦合方程；

其中，當(dāng)忽略周圍介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，所述考慮轉(zhuǎn)速影響的結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程表示為如式(1)所示的離散化的線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程：

式中[M_S]、[C_S]和[K_S]分別為n×n的質(zhì)量矩陣、n×n的阻尼矩陣和n×n的剛度矩陣，n為自由度；{u}分別為加速度、速度和位移；轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程表示為如式(2)所示的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)控制方程：

式中，[G_S]是陀螺矩陣，它取決于旋轉(zhuǎn)速度；其中[K_C]是自旋軟化矩陣，也取決于旋轉(zhuǎn)速度；

所述聲學(xué)控制方程的推導(dǎo)過(guò)程為，假設(shè)流體的壓力擾動(dòng)很小，則線性化的連續(xù)性方程表示為如式(3)所示：

式中，v_a是聲速，p_a是壓力，ρ₀是平均流體密度，Q是質(zhì)量源，是流體介質(zhì)中是聲速，K是流體的體積模量；

線性化的Navier-Stokes方程表示為如式(4)所示：

聯(lián)立線性化連續(xù)性方程(3)和線性化Navier-Stokes方程(4)則得到如式(5)所示的聲波方程：

對(duì)聲波方程(5)進(jìn)行離散化，通過(guò)矩陣表示法離散的波動(dòng)方程如式(6)所示：：

式中[M_F]，[C_F]和[K_F]分別為n×n的聲流體質(zhì)量矩陣、n×n的聲流體阻尼矩陣和n×n的聲流體剛度矩陣，n為自由度；{p_e}是節(jié)點(diǎn)壓力矢量，[R]為聲流體邊界矩陣，聲流體質(zhì)量密度常數(shù)，{f_F}為聲流體載荷矢量；

所述聲流固耦合方程通過(guò)同時(shí)求解旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)控制方程(2)和聲學(xué)控制方程(6)而得到，表示為如式(7)所示：