水电机组转子-转轮弯扭耦合振动特性分析

针对水轮发电机组轴系由多振源激励引起的非线性振动问题,本文构建了考虑动、静偏心因素的不平衡磁拉力及非线性密封力联合作用下机组轴系弯扭耦合振动模型,采用数值分析方法对系统动力学特性进行了研究。通过分岔图、轴心轨迹图和频谱图等方法分析了质量偏心、密封间隙对系统振动特性的影响。结果表明,动静偏心的加入对系统动态特性表现形式及振幅均带来了明显改变,系统稳定性在一定程度上得到了提升,新的运动特征周期6得以显现。质量偏心在恶化转子振动的同时会削弱不平衡磁拉力的影响,使振动趋于规则,但过大的质量偏心会导致定转子发生全周碰摩故障,容易引起系统潜在的不稳定。密封间隙的增加可以减少阻尼和摩擦,使系统运动趋于稳定;但过大的密封间隙会增加流体的泄漏,降低水轮发电机组运行效率。     

水轮发电机组转子不对中-碰摩耦合故障动力学分析

以水轮发电机组转子系统为研究对象,针对刚性联轴器综合不对中引起转子局部碰摩的问题,建立了机组转子不对中–碰摩耦合故障的动力学模型和微分方程,并利用数值积分方法研究该系统随不对中平行量和偏角参数变化的动力学行为。通过分岔图、Poincaré截面图、轴心轨迹图、时域波形图和幅值谱图系统地分析了发电机转子与水轮机转子在耦合故障下非线性动力学响应,发现机组转子系统随不对中平行量和偏角变化存在周期运动和复杂的拟周期,其碰摩过程非常复杂,机组故障特征频率除主要在1倍频外,还在0.3~0.4倍频处存在幅值较大的谐波分量。研究结果为水轮发电机组安全运行和准确识别转子不对中、碰摩故障提供有益的理论依据。     

非线性弹性转子-轴承系统的混沌响应研究

建立了短轴承模型的非线性转子-轴承系统数学模型,将非线性碰摩力加入模型。数值计算得到了系统在某些参数域中的分叉图、轴心轨迹、相图、Poincaré映射、频谱图以及时域波形,对系统发生混沌运动时的动态特征进行了直观描述,当系统发生混沌运动时的时间序列进行了分形维数计算,计算分析结果为该类系统的设计和状态分析提供理论参考依据。     

时变油膜力下贯流式机组耦合故障动力学分析

多故障源耦合激励诱发的贯流式机组操作油管与受油器浮动瓦碰摩现象,会造成振动加剧及漏油、窜油故障,直接影响机组安全稳定运行。本文在考虑时变非线性油膜力的基础上,建立了贯流式机组不对中-碰摩耦合故障非线性动力模型,研究了不对中量、操作油杂质和受油器径向刚度对系统动力学特性的影响。结果表明:不对中量和油膜力耦合作用下系统响应存在复杂的拟周期运动,频谱出现了幅值较大的低频谐波成分;操作油中的杂质诱发了碰摩的发生,且碰摩力和不对中量及油膜力相互激发放大致使谐波成分更加复杂。受油器径向刚度的减小导致径向振动加剧,并诱发系统动力响应进入不稳定的混沌状态。研究结果为机组安全运行和耦合故障诊断提供了理论依据。     

基础激励下水电机组轴系统的非线性动力分析

以水轮发电机组轴系统和基础耦合动力系统为研究对象,提出了带有基础随机外激励的水电机组轴系统的动力学模型。考虑机组的转子不平衡、转轮密封力等非线性作用,建立了该系统的非线性动力学微分方程。应用相应的数值仿真方法,结合轴心轨迹图、Poincaré映射图和分岔图等,研究了不同频率、不同强度和不同谱宽下的基础随机不确定性激励对主轴系统横向振动的影响。结果表明,基础激励频率的改变及强度和谱宽的变化将影响机组轴系统的运行稳定性,导致主轴系统出现多周期运动和混沌运动等复杂的非线性振动现象。研究进一步揭示了水轮发电机组轴系统的一些复杂非线性动力特性的内在机理和影响规律。     

混流式水轮机调节系统建模与非线性动力学分析

为了深入研究混流式水电站系统的稳定性问题,在简单式调压井模型基础上,考虑弹性水击效应、发电机转子二阶动态模型等因素,建立起了新的调压井单机单管混流式水轮机调节系统的非线性数学模型。通过分岔图、Poincare映射图、功率谱图、时域图、相轨迹图、频谱图等非线性动力学特征,分析了调速器参数变化时水轮机调节系统的非线性动力学响应,得出系统的动力学变化规律和特征,初步确定系统稳定运行的参数调节范围,为混流式水电站系统正常运行提供了理论参考。     

具有平行不对中故障的非对称柔性发电机转子系统非线性动力学研究

考虑非对称柔性轴系质量不平衡和平行不对中的影响后,主要研究1个发电机转子系统的非线性动力学问题。首先基于转子间不对中的约束关系,推导了在非线性油膜力作用下多跨转子系统的运动微分方程,采用数值方法,重点分析系统的非线性振动特性,例如,系统的轴心轨迹、Poincaré截面和最大Lyapunov指数等。结果表明:在较低转速时,转子的轴心轨迹在较小的范围内作同步振荡;随着转速提高,系统出现分叉和混沌等非线性动力学现象。最后讨论了转子不对中量的变化对系统动力学的影响。     

柔性转子系统轮盘外缘定点碰摩动力学特性分析

该文以一个单跨双盘柔性转子系统为研究对象,建立转子系统的有限元模型。基于接触动力学理论,将转子和定子简化为一个点点接触单元,二者通过碰摩力进行耦合,采用增广的拉格朗日方法来处理接触约束条件,采用库仑摩擦模型来模拟转定子之间的摩擦。研究了不同转速对定点碰摩转子系统动力学特性的影响,并与实验结果进行了定性验证。研究结果表明,随转速升高系统出现了不同的运动形式,如周期1、周期2、周期3和周期4。     

一个新的显式算法及其在转子动力学中的应用

通过引入5个自由参数进行算法设计，提出了一个新的用于线性、非线性动力响应数值计算的显式算法。基于有限差分分析理论对算法进行了设计和分析，结果表明算法的显式特性不需要阻尼矩阵对角化的假设，还具有一定的算法阻尼，这优于传统的中心有限差分方法。对单自由度的线性、非线性算例从数值上分析、比较了新算法的性能。最后给出了新算法在基础松动与碰摩耦合的转子系统的非线性动力学响应计算问题中的应用，表明该算法可以推广到更广泛的转子动力学问题。     

转子碰摩波内调制特征提取及其故障诊断应用

为深入分析不同转静碰摩故障引起振动响应信号波内调制特征的变化规律,以Jeffcott转子模型为基础,采用基于变分模态分解的Hilbert变换方法对不同碰摩故障仿真信号进行波内调制特征的提取与分析,揭示了碰摩转子的动力学特性与其故障信号波内调制特性间的关联机理.仿真结果表明,周期琅碰摩故障将导致振动响应信号中低频段波内调...     

涡轮阿尔福德力对转子系统动力学性能的影响

基于Jeffcott转子模型，结合涡轮的经典阿尔福德(Alford)力流固耦合动力学模型，建立了考虑涡轮Alford力的系统运动方程，通过理论分析导出了表征系统动力学性能的模态阻尼与频率、振幅对数衰减率以及动力放大系数等的解析表达式。最后通过图形分析了涡轮Alford力对转子系统动力学性能的影响，给出了一些可用于指导转子系统动力学设计和故障诊断的结论。分析表明，Alford力会促进正向涡动而抑制反向涡动，增大正、反向涡动的模态频率，降低正向涡动的稳定性，而提高或降低反向涡动的稳定性则取决于系统的相对阻尼，增大或减小系统的动力放大系数则取决于比转速，并改变系统响应的相位。     

液体媒质超声波电机转子稳定性理论和实验研究

液体媒质超声波电机定、转子不直接接触,利用液体媒质驱动转子旋转,是超声波电机新的研究方向。在液体媒质超声波电机中,转子的稳定性是一个关键问题。该文利用有限元分析软件CAPA和ANSYS,分析了在受到电压激励时电机内液体媒质的声流速分布。通过仿真发现,液体媒质同时存在切向流动和径向流动,是一种紊流,速度的大小和方向与激励电压和液体参数密切相关。切向流动推动转子旋转,而径向流动作用在转子上,引起了转子不稳定。为了分析方便,假设转子轴不固定,径向流动对转子的作用可通过弹簧和质量块构成的单自由度系统模拟,这样转子的稳定性可利用转子的振动频率衡量。通过实验研究了电机激励电压、转子厚度、液体媒质的高度及类型与转子振动频率的关系,为提高转子稳定性、优化电机设计提供了参考依据。     

剪切型磁流变脂阻尼器柔性转子系统不平衡响应的试验研究

为了建立旋转机械转子系统剪切型磁流变脂阻尼器准确的动力模型,用有限元法分析了剪切型磁流变脂阻尼器的磁场特性,从试验上详细地研究了剪切型磁流变脂阻尼器－悬臂柔性转子系统在不同转子不平衡量和磁场强度下的不平衡响应,并用Bingham流体模型对试验中观察到的现象进行了分析。结果表明：磁流变脂在不同的剪切速度和磁场强度条件下具有十分复杂的流变特性。在剪切型磁流变脂阻尼器－柔性转子系统中观察到的诸如轴颈的"松动"现象,阻尼器的软力特性,以及以转子峰值共振转速随磁场强度发生明显移动为特征的"刚化"效应等重要现象有利于建立阻尼器模型。Bingham流体模型只能解释试验中观察到的轴颈"松动"现象,但不能解释其它现象。在建立转子系统剪切型磁流变脂阻尼器动力模型时必须考虑磁流变脂"刚化"效应的影响。     

Jeffcott转子-可倾瓦滑动轴承系统不平衡响应的非线性分析

考虑了可倾瓦滑动轴承的非线性油膜力，对Jeffcott转子-可倾瓦轴承系统的不平衡响应进行了非线性分析。以非定常雷诺方程和雷诺破膜条件为依据，生成了单瓦非线性油膜力数据库。根据可倾瓦滑动轴承的结构特点，对单瓦数据库进行插值和拼装以获得可倾瓦滑动轴承的非线性油膜力的瞬时值。通过计算得到了不同参数下，Jeffcott转子-可倾瓦轴承系统的轴颈和转子的涡动轨迹及振幅。计算结果与线性动力学所得的结果进行比较。两者在不平衡量比较小的情况下结果吻合良好，但在不平衡量很大时结果却有较大差别。可见在进行转子-可倾瓦轴承系统的非线性动力学分析时有必要计入可倾瓦滑动轴承油膜非线性的影响。     

水轮发电机转子系统碰摩弯扭耦合振动分析

机电耦联振荡诱发的水轮发电机转子、定子碰摩现象,会加剧转子系统的弯扭耦合振动,进而诱发机组系统严重的安全事故。建立水轮发电机转子系统定、转子碰摩运动微分方程,利用数值积分方法,研究了电磁刚度、转子质量偏心、阻尼及定子径向刚度等对转子系统非线性动力特性的影响。结果表明,弯曲和扭转电磁刚度对弯曲和扭转振动存在相互耦合激发放大作用,但随着偏心的增加,电磁刚度的影响程度减弱;质量偏心较大时弯扭耦合作用强烈,弯曲或扭转阻尼比的影响作用较大;定子径向刚度增大导致径向碰摩力增大,弯振幅值略有降低,扭振幅值增加,振动频率成分复杂。所得结论可为转子系统的设计、运行、振动控制预测及诊断提供参考。     

磁流变液阻尼器控制下贯流式机组轴系碰摩振动特性分析

针对贯流式水轮发电机组轴系受多振源引发的振动问题,基于线性接触力和库伦摩擦力组成的叶尖碰摩力模型,建立综合考虑不平衡磁拉力、油膜力以及不平衡水力等外激励影响下的机组转子–转轮–轴承系统碰摩动力学模型。为抑制转轮叶片振动诱发的碰摩故障,将一种电流调节式磁流变液阻尼器引入系统,采用数值方法研究有无磁流变液阻尼器在不同转速及转轮质量偏心下对转轮振动的抑制规律。结果表明：磁流变液阻尼器的存在使原本复杂的系统响应形式变得有序,能够减弱机组在转速变化过程中产生的振动,使转轮运动更为贴近同步周期运动形式;同时,可缩减因质量偏心变化造成的混沌行为并减小其振幅波动。磁流变液阻尼被动控制对贯流式水轮发电机组具有良好的适用性,可为贯流式机组轴系减振提供有益借鉴。     

圆管内对流换热的场协同理论分析

以空冷电机转子通道内的流动换热问题为背景,将场协同理论应用于旋转坐标系中。通过理论分析,指出了场协同理论应用于静止坐标与旋转坐标中的差异,说明了在旋转坐标系下对流换热问题的规律。采用数值模拟方法对旋转坐标下的三维轴向直圆管模型内部流动与换热进行了研究,验证了理论分析结果,并进一步对比了不同转速、不同入口条件下换热情况。理论分析与数值计算结果均证明在旋转坐标系下,高转速带预旋入口条件的轴向通道内固体壁面对流体做功量对总换热量的影响不可忽视。     

多级压气机动叶片时序效应数值研究

对某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场进行了非定常数值模拟,研究第二级动叶时序(CLOCKING)效应对中间级各列叶片气动负荷的影响。计算过程采用基于谐函数(Harmonic)的频域变化方法对全三维Navier-Stokes(N-S)方程进行求解。通过对各列叶片非定常气动负荷进行时域和频域分析,指出转子叶片中间级动叶R2处于不同的CLOCKING位置时,会引起R2叶片本身以及下游中间级静叶S2气流激振力显著变化。在CLK0(各列动叶片在周向上安装位置相同)位置,中间级静叶片在部分时刻内受力与常规方向相反,且气动力和力矩波动幅度最大。在CLK2(动叶片在周向上错开1/2节距安装)位置上,R2叶片和S2叶片气动负荷的稳定性都得到改善。静叶S2气动力、气动力矩波动幅值明显较其他位置小,且方向的改变次数也较小。同时,S2对其上下游动叶一倍通过频率的响应也最小,因此具有比较稳定的气动负荷。