大型汽轮发电机组轴系扭振与监测

本文结合我国大型汽轮发电机组轴系扭振在线监测分析系统(简称TSA)的开发研制,概括介绍了目前国内外比较关注的大型汽发机组轴系扭振与监测问题。TSA系统的应用对于机组的扭振事件分析、经济运行与安全保证是非常重要的。     

基于四端网络法的扭振监测与分析仪研制

简要论述了汽轮发电机组轴系扭振监测研究及扭振仪现状,阐明了四端网络法的基本原理和该算法的优点,并对应用广泛的用于测量旋转轴扭振的时间脉冲法进行了概要说明.基于四端网络模型和时间脉冲法,文中详细介绍了本扭振监测与分析仪的系统结构和系统功能.该分析仪集扭振数据采集与分析于一体,实时监测扭振状况,并对扭振故障进行在线分析,将对汽轮发电机组安全运行带来短期的和长期的利益.     

基于三质量块模型的失速型风机小信号建模和模态分析

风电场大规模接入电网可能增加区域电网低频振荡和风电机组轴系扭振的风险,研究风机建模及扭振特性是保证电力系统安全稳定的重要课题。以失速型风电机组为例,建立基于三质量块轴系模型的单机对无穷大母线系统小信号模型,并采用模态分析法探讨系统电气参数对失速型风电机组轴系扭振特性的影响。为方便不同机型及多机风电机组的扭振特性的拓展研究,系统各部分模型相对独立。在单机对无穷大母线系统模型的基础上建立简化失速型风电场多机小扰动仿真模型,研究风电场扭振模态的变化,MATLAB仿真验证了该模型用于风电机组轴系扭振问题研究的有效性和准确性。     

汽轮发电机转子扭振的研究

应用扭动计算程序,对３００ＭＷ汽累发电机组轴系进行了扭振计算分析,得出了机组轴系在各种设计工况下的扭振固有频率以及两相突然短路时轴系的最大剪切应力与最大扭矩。介绍了实验室扭振模型实验的建立及扭振模式方法,对模型系统的扭振固有频率进行了计算与测试,计算结果与测量结果非常接近,从而也验证了测量系统的可靠性。     

轴系扭振的四端网络模型及其应用

首次提出了一种设计和分析轴系扭振的四端网络方法，给出了其模型结构及处理方法。将扭振系统视为一个整体，从系统的输入阻抗入手，根据不同的谐振特征，可得到频率方程及两端扭转角速度比的一般式，由此来分析轴系扭振的频率特性、阻抗特性、各阶模态等性能。与传统方法相比，四端网络法的模型精确，算法简便迅速，无累积误差，易于实现计算机辅助设计和分析。     

失速型风电机组机网扭振的模型与机理

指出了研究并网大型风力机组机网扭振问题的必要性,为研究风电机组的机网扭振问题,针对失速型异步风力发电机,建立了研究其风力发电机和电网之间扭振相互作用的统一动态模型.采用有限元方法分析了实际的叶片结构,将风力发电机叶片、低速轴、齿轮箱、高速轴、转子组成的旋转系统等效为三质量块-弹簧模型,同时建立了发电机定子和电网在d-q坐标系下的模型,实现了机网接口.仿真分析得到了风力发电机的旋转系统在电网三相故障激励下叶片的扭振曲线,其扭振频率与风机旋转系统的理论固有频率相同,且故障切除以后扭振现象并未衰减;为进一步研究抑制机网扭振的方法提供了理论基础.     

水电机组转子轴承系统弯扭耦合振动影响因素研究

建立了水电机组转子-轴承系统的弯扭耦合振动模型,应用数值算法求解了不同导轴承刚度情况下,转子的弯振和扭振响应时程曲线,研究了轴承集中刚度和阻尼、陀螺力矩及转动惯量等对转子轴承系统弯扭耦合振动的影响.结果表明,轴承在弯曲方向上的集中刚度和阻尼对转子的弯振和扭振均有重要影响,而扭转方向上的阻尼对弯振和扭振影响相对较小,陀螺力矩中的扭转力矩对系统的响应起主要的影响作用,转动惯量增大使得系统的弯振和扭振响应降低.     

定桨恒频风电机组机网扭振的建模与机理

报告了风力机组机网扭振问题的研究现状,指出了研究并网大型风力机组机网扭振问题的必要性。针对定桨恒频双速异步风力发电机,建立了研究风力发电机和电网之间扭振相互作用的统一机电动态模型:利用有限元分析法对风机叶片进行了建模,将风力机机械部分(包括叶片、低速轴、齿轮箱、高速轴、转子组成的旋转系统)等效为柔性连接的三质量块模型,计算了机械旋转系统的固有频率;对电气部分(包括发电机定子和电网)在dq0坐标系下进行了建模。在电磁暂态仿真软件中了建立了仿真模型,通过在输电线路始端设置三相接地短路故障,激发了风力发电机的机网扭振现象。对扭振曲线进行频域分析,发现了扭振频率与计算得出的机械旋转系统固有频率相吻合,验证了模型的准确性。     

大型汽轮发电机组快关汽门技术及轴系扭振监测分析系统

轴系扭振是大机组机网协调运行中的重要问题。本项目结合工程实践,对轴系扭振本征特性、电网异常工况和实施快关过程中轴系扭振响应、扭振疲劳强度分析以及扭振应力在线监测技术进行了全面深入的理论研究和实验,并以此为基础结合火电厂快关汽门的实际需要,对200 MW、300 MW、600 MW等各型机组的轴系扭振固有频率和振型进行了计算和实测;从固有频率和模态振型两方面对轴系扭振特性进行评价,对电网异常工况和汽门快控对轴系扭振影响及轴系扭应力分布进行了计算分析,建立了具有参数辨识及自适应功能的轴系扭振快速响应模型;以此为核心研制了扭振应力在线监测与分析装置,并在国内十余台机组上投入了运行,成为监督大机组轴系扭振的有效手段,为机组实施快关汽门技术的评价提供了可靠的数据。     

短路及重合闸过程汽轮发电机轴系扭振的计算分析

鉴于大型汽轮发电机组在运行中多次发生因轴系扭振而损坏的重大事故，文中结合国产２００ＭＷ汽轮发电机组，采用多段集中质量轴系模型和雷卡迪传递矩阵法，对单机无穷大系统中，发电机组附近电网短路及重合闸过程中的机组轴系扭振进行了详细的仿真计算，并对轴系各轴段之间的扭振大小，以及扭振的机理进行了比较和分析，所得结论为大型汽输发电机组的 安全运行及研制提供了一些理论依据。     

焊接钢结构疲劳强度预测的应力场强模型研究

考虑材料、几何形式、受载形式、应力梯度、焊接残余应力等多种因素对焊接钢结构疲劳强度的影响，用应力场强参数描述焊接钢结构的疲劳强度特性，建立了有效应力集中系数的应力场强预估模型．应用所建立理论预测了几类典型焊接钢结构的疲劳强度，并与实验进行了比较，获得了令人满意的结果．用该方法预估焊接钢结构的疲劳强度，能大量减少疲劳实验，节省经费开支，对工程应用有参考价值．     

PVDF actuator for high‐frequency fatigue test of thin‐film metals

This paper suggests a poly(vinylidene fluoride) (PVDF) piezoelectric diaphragm actuator used in a novel fatigue test method for thin metal films. A thin‐film metal specimen is stamped on top of the actuator using a stamping epoxy. As the actuator vibrates, the stress in the specimen increases until it fails under fatigue. A finite element model of the actuator is built, and its vibration amplitude is confirmed to be in a good agreement with experiment. Then, a model of the specimen is added to this model to simulate the vibration of the specimen for fatigue test. Stress analysis of the specimen at a driving voltage of 200 V_0−p confirms that this actuator can increase the stress in the specimen to near 1 GPa, which is high enough for the fatigue test of metals such as titanium. In the experiment, a thin‐film titanium specimen is stamped on top of the actuator which is then vibrated. The stress in the fatigue gauge on thin‐film specimen increased until the specimen failed under fatigue. This shows that the proposed PVDF actuator is suitable for the fatigue test of thin‐film metals such as titanium. © 2012 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

非线性连续损伤模型在汽轮机转子低周疲劳分析中的应用

针对当前汽轮机转子低周疲劳寿命估算存在较大误差的问题,引进了非线性连续损伤力学模型进行汽轮机转子低周疲劳损伤分析。首先对国产600MW汽轮机高压转子在冷启动和滑参数停机等典型工况下的瞬态温度场和热力场进行了弹塑性有限元分析,进而对热应力引起的低周疲劳损伤进行了估算,疲劳损伤的估算分别采用了非线性连续2种方法的估算结果表明,由于线性累积损伤理论是基于单轴假定之下,没有多轴应力的影响,在寿命预测时,高估了转子的寿命,而非线性连续损伤力学模型不仅考虑了多轴复杂应力的影响而且正确地反映了低周疲劳损伤的非线性累积过程,其分析结构更接近实际。     

随机疲劳理论在混流式转轮强度设计中的应用

本文根据大量的电站运行资料分析.首次解决了水轮机载荷谱的编制方法,提出了符合实际情况的力学模型,并应用随机疲劳理论给出了混流式水轮机常规疲劳强度设计方法。为水轮机从静应力疲劳强度设计过渡到动应力设计创造了有利的条件.     

汽轮机转子疲劳-蠕变损伤的非线性损伤力学分析

转子是汽轮机的核心部件，往往要在高温、复杂应力情况下工作，易产生裂纹萌生。除疲劳作用外，蠕变在转子的寿命损耗中也占有相当的比例。一般低周疲劳约占转子总寿命的80％，而蠕变则占转子总寿命的20％。事实上，对汽轮机转子而言，疲劳和蠕变往往是同时发生并存在着相互的作用。该文采用非线性损伤力学模型估算了国产600MW汽轮机高压转子在实际启停功况下的疲劳-蠕变寿命，考虑了疲劳与蠕变的耦合作用以及多轴应力的影响，并与当前汽轮机疲劳—蠕变寿命估算普遍采用的线性累积损伤理论进行了对比。结果表明：非线性连续损伤力学模型正确地反映了疲劳-蠕变交互作用以及损伤演化的非线性机制，其分析结果比现行理论方法更为准确、可靠。     

复杂应力条件下 MEMS 加速度传感器可靠性分析

针对 MEMS 加速度传感器在复杂应力条件下潜在的疲劳失效与断裂失效问题,提出了一种基于全概率公式的可靠性 评估模型,完成了器件在振动环境、冲击环境以及振动-冲击耦合环境下的可靠性建模。 模型包含 Wiener 过程和齐次泊松随机 过程,分别描述器件在振动环境中的疲劳损伤以及器件遭受的随机冲击,进一步考虑了随机冲击的幅值大小对器件退化率的影 响。 通过器件在冲击应力下产生的疲劳损伤突增量,反映多失效模式间的相关性。 对比分析了振动-冲击相互独立与相互耦合 作用的可靠性模型,结果表明,振动-冲击相互耦合作用的可靠性模型评估结果更具有指导意义。     

汽轮机叶片的静动应力分析及高低周疲劳寿命估算

提出了汽轮机叶片静应力和动应力的三维有限元计算模型，并导出了具体的有限元方程。给出了叶片材料的疲劳特性曲线和循环应力应变关系曲线。提出了叶片高低周疲寿命计算模型。最后用该模型对一个实际叶片进行了动静应力分析和寿命估算，计算结果和实际符合较好。     

架空线路导线疲劳试验振动幅度的研究

架空输电线路微风振动极易引起导线的疲劳破坏,因此疲劳特性是导线最重要的机械力学性能之一。为考核导线疲劳性能,需要进行疲劳试验,但国际上还没有科学统一的试验方法和试验标准。大量工程试验表明,国内目前采用的试验方法存在着某些不足。该文根据疲劳试验导线振动的运动方程和疲劳试验的边界条件,推导出疲劳试验波幅振幅与线夹线股应力的关系式。并利用Miner累计损伤理论的W?hler安全边界曲线,提出一种导线疲劳试验振动量级的计算方法。试验研究结果表明,该计算方法能较好地应用到导线疲劳特性试验检测中。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

300Mvar空冷隐极调相机转子疲劳强度分析

300Mvar空冷隐极调相机转子跨距长、重量大,在自身重力作用下转子挠度和弯曲应力已经达到疲劳设计极限,因此设计出安全可靠的转子结构具有很大难度。本文建立了300Mvar空冷隐极调相机转子疲劳损耗的三维有限元分析模型,分别对机组额定稳态运行工况及起停机过程的瞬态工况进行仿真计算,分析两种工况下转子的动态应力,并进一步对起停机工况的动态应力进行雨流法分析。最后,根据德国机械工程师委员会的FKM疲劳计算导则,对调相机转子进行寿命评估,保证了300Mvar空冷隐极调相机转子的安全可靠性。