大型抽水蓄能机组轴系的动特性研究

作者:冯辅周;褚福磊;张正松;李承军 刊名:振动.测试与诊断 上传者:任锦帅

【摘要】以广州蓄能水电厂1 号机组的实际结构为例,首先应用Riccati传递矩阵法建立了计算机组自振特性的动力学模型,并分析了机组的自振特性及油膜轴承刚度对它的影响。然后结合Riccati传递矩阵法与Wilson-θ法[5]编制了轴系的瞬态响应计算程序,给出了机组在几种典型外载荷作用下的瞬态响应。该模型的建立将加深对水轮机组动特性的认识,并可用以指导机组设计及故障诊断

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引言与一般水轮发电机组相比,抽水蓄能机组具有工况复杂、启停频繁、工作转速高、正反转工作、有的还是变速工作等特点。因此,对其轴系的动力特性有更严格的要求,不仅要在设计阶段作仔细的分析计算,而且在安装调试和运行过程中,还需作一些专项测试或试验,以验证、修改和补充计算结果。此外借助于动力特性的分析还可获得故障诊断的特征参量或征兆。本文首先采用传统传递矩阵方法计算了机组轴系的自振特性,然后采用瞬态传递矩阵法计算了外载荷作用下的轴系瞬态响应。机组自振特性的计算机组的自振特性包括:轴系横向振动临界转速和模态振型。计算轴系的临界转速是振动设计计算必不可少的步骤,也是轴系动力学分析极其关键的环节。分析轴系的临界转速可以了解转轴的临界转速分布,使转子的额定工作转速尽量远离各阶临界转速,由于水轮机转子属刚性转子,因此主要考虑其额定工作转速尽量低于第一阶临界转速,尤其应保证转轴的飞逸转速(混流式水轮机组的飞逸转速一般为额定工作转速的倍)在第一阶临界转速之下,而且尽量不要接近第一阶临界转速。而分析模态振型则可以了解转子在某阶临界转速下各结点振动位移的相对大小或变形特点。广蓄机组转子轴承系统的单元划分对所讨论的抽水蓄能机组,建立一个合理的数学模型是正确计算实际轴系动力学特性的图轴系简化模型图前提。广州蓄能水电厂一期工程的号机组由法国的制造,额定容量,工作转速,最大稳态飞逸转速,平均水头,水轮机额定流量,水泵最大流量,最小流量。机组轴系由发电机转子和水泵水轮机转子用联轴节连接而成,依赖个导轴承和个推力轴承支承。由于实际转子是一个质量连续分布的弹性系统,具有无穷多个自由度。笔者采用传统的集中质量简化方法,沿机组轴线把整个转子的质量及转动惯量集总到个结点上,这些结点选在了各轴段截面有突变处、轴的端部、轴颈中心等处。图给出了轴系质量结点的简化模型,可以看出该机组轴系的基本结构主要包括发电机轴、水电机轴、上导、下导、水导轴承、推力轴承及主轴法兰。表给出了各结点处的集中质量及各轴段的长度。在计算轴系的临界转速及各阶振型时,把各导轴承简化为固定刚度和阻尼的弹性元件。根据轴承的实际结构参数,将各导轴承的刚度系数分别取为:上导轴承处();下导轴承处();水导轴处()。为简化计算,暂不考虑支承座的刚度、阻尼,即认为轴承座为完全刚性的,且不考虑油膜的交叉刚度和阻尼表模型中集中质量及轴段长度参数表节点序号质量轴段长度节点序号质量轴段长度广蓄机组转子轴承系统自振特性的计算横向振动临界转速的计算首先计算了上导、下导、水导轴承刚度分别固定为,,()时轴系的临界转速,然后分别考虑某一个导轴承刚度发生变化时相应的计算结果,这样做是为了研究导轴承刚度对机组轴系临界转速的影响。表表和分别给出了上导、下导、水导个轴承刚度以各自的固定值为基础,考虑其增大或减小和时的临界转速计算结果,由此可看出:个导轴承刚度的变化对轴系各阶临界转速的影响有着明显的差异。下导轴承刚度的变化对机组轴系的一阶临界转速的影响最大;上导轴承刚度的变化影响次之;水导轴承刚度的变化对一阶临界转速基本上没有影响。但它对二阶临界转速的影响却是最大的,相反上、下导轴承刚度的变化对轴系二阶临界转速的影响却很小。由于水轮机转子是刚性转子,必须优先注重由于大轴摆度的变化引起下导轴承油膜刚度的变化,最终导致临界转速的变化,确保机组运行在远低于第一阶临界转速的状态下。若由于轴承刚度的变化,引起机组临界转速的变化,导致机组工作在近临界或存在过临界的状态,就有可能引起机组共振,发生部件破坏,乃至整个机组的破坏。但从表表中的数据可以看出,即使下导轴承刚度降低,系统的

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