[發明專利]一種水輪機軸系轉子動力學模態計算方法

在審

• 申請號: 202110662625.4
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113326647A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 王正偉;曹景偉;田紅;多文智;崔建華;趙國正;高海玉;陳林;王明明
• 申請（專利權）人: 清華大學;甘肅省電力投資集團有限責任公司;甘肅電投炳靈水電開發有限責任公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20;G06F17/12;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發明公開了一種水輪機軸系轉子動力學模態計算方法，首先，對水輪機軸系及轉輪周圍水體三維建模；然后，對步驟1中所建模型進行網格劃分；接著，設置有限元分析的邊界條件；再接著，基于ANSYS Mechanical APDL軟件求解濕模態特性；最后，對步驟4所求解的模態結果進行分組，繪制Campbell圖。本發明的計算方法可同時考慮水輪機軸系轉速和周圍水體附加質量的影響，大大提高了軸系模態的計算精度。

技術領域

本發明屬于水力機械及工程設備技術領域，具體涉及一種水輪機軸系轉子動力學模態計算方法。

背景技術

水輪機是開發水力資源的重要設備，其一直受到共振和疲勞問題的困擾。為了避免軸系結構因動應力過大而引起的共振和疲勞損傷，確定軸系結構的動態響應，即確定其模態響應至關重要。由于軸系通常由軸、轉輪、交流發電機、軸承和密封件等組成，其動力學模型非常復雜，有時甚至是非線性的，因此確定這些機械轉動部件的模態響應極為困難。

水輪機的轉輪通常浸沒在水里，這對整個軸系的模態特性有很大影響。因此，研究旋轉結構的“濕”模態特性而不是“干”模態特性非常重要。在確定水輪機軸系的模態特性時，必須考慮轉輪周圍水體的附加質量效應。當轉輪在水中時，軸系的固有頻率會低于空氣中的固有頻率，這意味著軸系更有可能受到低頻激勵而共振。目前對簡單模型(如翼型或圓盤)的模態研究，為理解流體對轉輪模態特性的影響提供了理論基礎。關于流體附加質量對水輪機模態特性的影響，目前的研究主要集中在混流式水輪機和水泵水輪機的轉輪模態上。

除了考慮轉輪及其附加質量效應外，還必須考慮軸對整個轉子動力學的影響。對于水輪機來說，轉輪的模態特性因軸而改變。此外，在通常具有長軸的水輪機中，陀螺效應起著重要作用，即在分析軸系的動態特性時，軸系的轉速不能忽略。軸承及其負載的影響會影響整個轉子的穩定性。目前的研究技術，在分析整個軸系的模態特性時，大多數研究沒有考慮轉輪周圍水體的影響，對水輪機軸系的濕模特性還沒有得到深入的研究。現有的軸系模態計算方法，不能同時考慮結構轉動時轉輪周圍水體的附加質量的影響，這導致計算出的模態頻率僅僅為空氣中的模態，并不能反映真實的情況。

發明目的

本發明的目的即在于解決現有技術所存在的不足，提出了一種水輪機軸系濕模態的計算方法，可同時考慮軸系轉速和周圍水體附加質量的影響，可對現有的算法進行改進，大大提高軸系模態的計算精度。本發明以水輪機軸系為研究對象，以某燈泡貫流式水輪機軸系為例，同時考慮軸系轉速和周圍水體附加質量的影響，進行了燈泡貫流式水輪機軸系濕模態的計算，并提出了燈泡貫流式水輪機軸系修正的Campbell圖。本發明不僅適用于燈泡貫流式水輪機軸系轉子動力學模態計算，還可用于水力機械軸系模態計算，如混流式水輪機、沖擊式水輪機、水泵水輪機等。

發明內容

本發明提供了一種水輪機軸系轉子動力學模態計算方法，包括以下步驟：

步驟1、水輪機軸系及轉輪周圍水體三維建模，所述水輪機包括燈泡體、定子、發電機轉子、徑向軸承、推力軸承、主軸、轉輪,在水輪機本體及轉輪外側為水流；

步驟2、對步驟1中所建模型進行網格劃分，以便進行有限元分析；

步驟3、設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、水體的阻抗邊界條件、轉速、等效磁拉力剛度系數；

步驟4、求解濕模態特性，所述濕模態相對于干模態而言，即指轉輪在水中運行時的模態分析，須考慮周圍水體質量的影響；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量的程序語言；根據水輪機組實際運行情況確定需要求解的轉速范圍及所需求解的階數，選擇一定間隔進行求解；

步驟5、對步驟4所求解的模態結果進行分組，繪制Campbell圖。

優選地，所述水輪機為燈泡貫流式水輪機機組。