水轮发电组轴系仿真及动态特性分析

于立式布置的混流式水轮发电机组,由于横向振动的固有频率往往高于激振力的频率范围,转子轴承系统的动态特性需要特别关注,而系统的刚度及质量矩阵求解难度较大,所以用解析法求解水轮机主轴系统的临界转速比较繁琐.利用虚拟样机技术,以某电站水轮发电机组为例,通过建立水轮发电机组主轴系统的虚拟样机模型,快速计算了主轴系统的临界转速,分析了轴承刚度和阻尼对临界转速的影响.仿真得出结论:通过改变导轴承支撑刚度可以改变临界转速,轴承与主轴系统的动态性能指标是相互制约的.因此在高速旋转机械动力学设计时,轴承与转予设计必须一起协调进行,轴承刚度的动态特性不容忽略.     

轴向槽气体轴承-转子非线性系统的动力学行为

针对轴向槽气体轴承支承的转子非线性动力系统,研究了系统动力学行为的不平衡响应和分岔。采用矢量拟合近似求解的方法,建立了轴向槽气体轴承的有理函数模型,通过耦合转子运动模型,提出了一种轴向槽气体轴承-转子非线性系统动力学模型,在对其动力学行为求解过程中避免了对动态气膜力的反复求解,减少了计算时间。运用轴颈和圆盘中心的轨迹图、频谱图、Poincaré映射和分岔图分析了轴向槽气体轴承-转子系统的非线性不平衡响应和分岔行为。以转速为分岔参数研究了非线性系统从倍周期运动通向混沌的道路,以质量偏心为分岔参数研究了非线性系统的倍周期运动的倒分岔行为。数值结果表明轴向槽气体轴承-转子非线性系统存在复杂的动力学现象及分岔行为。     

滑动轴承-转子系统的模态锁定和混沌

分析了流体动压滑动轴承支承转子系统的稳定性和分岔.建立了流体动压滑动轴承-具有陀螺效应的刚性转子系统的运动方程,采用Hori轴承模型求解非线性油膜力及其Jacobian矩阵,将Poincaré映射和Newton-Raphson方法相结合求解系统的周期响应,结合Floquet稳定性分岔理论分析系统周期响应的稳定性和分岔形式.将转速作为分岔参数发现,随着转速的继续增加,系统基本呈现准周期运动,但在某些孤立狭窄的转速范围内系统出现了模态锁定现象,随着转速的进一步增加,系统发生混沌运动.     

裂纹和油膜耦合故障转子周期运动分岔分析

利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶算法,研究了裂纹和油膜涡动耦合故障转子周期运动的分岔及失稳方式.研究发现,在偏心量一转速参数域内,耦合故障转子与油膜涡动转子的同频周期运动分岔失稳规律基本相同,在较大和较小的偏心量作用下,转子同频周期运动以倍周期分岔形式失稳,在适中的偏心量下,同频周期运动经Hopf分岔形式失稳.在裂纹深度-转速参数域内,耦合故障转子同频周期运动和倍周期运动的分岔失稳规律基本相同,随着裂纹深度加大,失稳转速降低,稳定性变差,但幅度并不明显.     

轴承-转子系统不平衡周期响应的稳定性和分岔

研究了轴承-转子系统的非线性动力响应及分岔,建立了滑动轴承支承的对称单圆盘柔性转子系统的运动微分方程,针对转子系统具有的局部非线性特征,将Newton-Raphson方法和Wilson-è法相结合,形成了一种求解转子系统不平衡周期响应的迭代方法.运用该方法使得非线性响应的迭代求解仅在非线性自由度上进行,并运用Floquet稳定性理论分析了转子系统周期响应的稳定性和分岔形式.以转速作为分岔参数,对轴承-转子系统进行计算分析.数值结果表明,系统主要发生倍周期分岔和准周期分岔,具有各种周期解共存、跳跃现象,随着转速的不断增加,系统周期解将发生倒分岔和再分岔.     

混流式水轮发电机组主轴系统非线性全局耦合动力学模型

长期以来,水轮发电机组的激烈振动现象严重影响电站的正常安全稳定工作.在高水头、大流量水流和强电磁场的共同作用下,其规律十分神秘,是一个至今仍未彻底解决的难题.文中以混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象,首先根据发电机、水轮机主轴和水轮机转轮的特点,分别建立发电机单元、水轮机主轴单元和水轮机转轮单元,然后在发电机单元、水轮机主轴单元和水轮机转轮单元的基础上,应用有限单元法建立混流式水轮发电机组主轴系统的非线性全局耦合动力学方程.所建方程较好地体现该系统动态性能与其水力参数、电磁参数和结构参数之间的实际关系,表达以往方程未能反映的动态性能,为进一步深入研究混流式水轮发电机组主轴系统的动力学特性与系统的水力参数、电磁参数和结构参数之间的内在联系奠定基础.     

圆柱滚子轴承刚性转子系统周期运动分岔

推导了考虑径向力、力矩联合作用的滚子轴承的非线性轴承力和力矩,建立了圆柱滚子轴承刚性转子系统的四自由度动力学方程,利用求解非线性非自治动力系统周期解的延拓打靶算法进行计算,根据Floquet乘子判断周期运动的分岔.以某滚子轴承刚性转子系统为例,研究了该类转子系统在径向间隙-转速、阻尼-转速、力矩-转速参数域内周期运动的分岔及失稳规律.结果发现:随径向间隙、阻尼和力矩的变化,周期运动将产生倍周期或Hopf分岔,分岔转速随参数变化而改变.其中力矩的存在会明显降低系统的失稳转速,可通过选择合适的结构和工况参数尽量避免滚子轴承转子系统出现非周期运动.     

碰摩故障多自由度转子—轴承系统周期运动稳定性研究

以有限元理论为基础,建立考虑诸如非线性油膜力、陀螺效应等因素的碰摩故障转子—轴承系统多自由度模型,应用与Newmark法结合的打靶法分析碰摩故障多自由度转子—轴承系统的周期运动稳定性。研究系统随系统偏心距、碰摩间隙、碰摩摩擦因数、碰摩刚度等影响因素的失稳分岔规律。研究发现,小偏心距下系统发生hopf分岔失稳,而大偏心距下系统发生倍周期分岔失稳。减小系统的碰摩间隙、增大系统的摩擦因数或增大系统的碰摩刚度,将影响油膜涡动的形成,使系统失稳转速升高;对于轻度碰摩情况,系统分岔形式和失稳转速可能不发生改变,但对于重度碰摩情况,分岔形式和失稳转速将发生很大的变化。研究为相关转子—轴承系统故障诊断、振动控制及稳定性设计提供理论参考。     

水轮发电机转子非线性电磁振动的幅频特性

分析了非线性电磁力和机械不平衡力对水轮发电机转子动态特性的影响。采用解析方法得到了偏心转子的非线性电磁力,建立了动态偏心条件下转子的机电耦联动力学方程。采用复变函数将系统的动力学方程简化,利用谐波平衡法分析了系统的稳态解,得到了系统的幅频响应。结果表明,动态偏心条件下水轮发电机转子的电磁振动呈现非线性特征,幅频曲线在一定条件下将出现跳跃现象,系统呈现明显的软特性。     

不平衡磁拉力作用下裂纹转子系统的分岔

针对大型旋转机械转子系统机电耦合具有强非线性特征的问题,根据磁拉力与转子偏心的关系,推导出不平衡磁拉力(Unbalanced magnetic pull,UMP)的解析式,建立UMP作用下裂纹转子—轴承系统的动力学模型,并采用数值积分方法研究此类裂纹转子的分岔与混沌特性.通过分岔图、Poincaré图和频谱幅值图分析UMP和裂纹深度对转子运动的影响,结果表明:UMP使转子系统随速度变化的典型动力学响应有所提前,振幅增大,幅值谱图中出现了连续幅值较大的谐波分量;随着裂纹深度的不断增加,转子系统在亚临界转速区出现了短暂的混沌运动,在临界转速附近的混沌区域不断减小,其混沌特征有所变化,且进入混沌区域的倍周期分岔运动基本消失,而在超临界转速区则出现了较长的周期7运动.研究结果为深入解析机电耦合转子系统故障机理提供有益的理论参考.