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混流式水轮发电机组转动轴系动力特性研究 摘要 混流式水轮发电机组是在强大电场、磁场和强大水流动力作用下工作 的大型复杂设备，其激烈的振动现象像一个神秘的幽灵徘徊于世界各地水 电站，严重影响水电站的安全运行。 本文以结构动力学、转子动力学及有限元法为理论基础，综合应用工 程软件p r o e n g i n e e r 和a n s y s 对混流式水轮发电机组的转动轴系及其 各部件的动力特性进行了研究。 首先，应用p r o e n g i n e e r 强大的造型与装配功能建立了发电机转 子、轴系主轴、转轮及轴系整体的实体几何模型和有限元模型；其次，应 用a n s y s 软件计算了机组轴系及各部件自由振动状态下和旋转状态下的 固有频率及振型，分析了轴系及各部件固有频率的特点、振型变化的规律 及两种状态下固有频率的差异；第三，计算了机组轴系的前两阶临界转速， 并与额定转速作了比较，分析了机组轴系运行的稳定性；第四，计算了机 组轴系主要激振源的频率，分析了额定工况下各激振源对机组轴系及各部 件运行状况的影响及轴系发生共振的可能性：最后，计算了转轮及叶片的 自由振动应力，研究了叶片裂纹产生的部位与转轮及叶片的自由振动应力 之间的内在联系，得到了一些有意义的结论。 本文的工作可为分析机组发生共振的原因和转轮叶片裂纹产生的原 因提供一定的参考，并为机组转动轴系进一步深入的研究打下基础。 关键词：混流式水轮发电机组转动轴系有限元法固有频率振型 临界转速激振频率动力特性 t h es t u d yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fs h a f ts y s t e mo ff r a n c i s t 【珉b i n eg e n e r a r o ru n i t s a b s t r a c t f r a n c i st u r b i n eg e n e r a t o ru n i t sa l el a r g ea n dc o m p l e xe q u i p m e n t sw o r k i n g u n d e rt h ec o m b i n a t i o na c t i o no fi n t e n s ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n ds t r o n g c u r r e n t sp o w e r t h ei n t e n s ev i b r a t i o np h e n o m e n o no ft h eu n i t sh o v e r sa r o u n d t h eh y d r o p o w e rs t a t i o n sl i k eam y s t e r i o u sg h o s ta l lo v e rt h ew o r l d , w h i c h s e r i o u s l yi m p o z t so nt h es a f eo p e r a t i o no f t h eh y d r o p o w e rs t a t i o n s t h i st h e s i sh a ss t r u c t u r a ld y n a m i c s ，r o t o rd y n a m i c sa n df i n i t ee l e m e n t m e t h o d sa st h et h e o r e t i c a lb a s i s ，a p p l i e sp r o e n g n e e rs o f t w a r ea n da n s y s s o f t w a r et os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es h 硪s y s t e mo ff r a n c i s t u r b i n eg e n e r a t o ru n i t s f i r s t l y , t h es o l i dg e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo f t h e r o t o r , t h es h a f t ，t h e r u n n e ra n dt h ew h o l es h a f ts y s t e ma r eb u i l tw i t h p r o e n g i n e e rp o w e r f u lm o d e l i n ga n da s s e m b l yf u n c t i o n s s e c o n d l y , t h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dt h em o d es h a p e so ft h es h a f ts y s t e m a n di t sc o m p o n e n t sa r er e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e dw i t ha n s y ss o f t w a r ei nf r e e v i b r a t i o ns t a t ea n di nr o t a t i n gs t a t e t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h en a t u r a lf r e q u e n c i e s ， t h ec h a n g el a wo ft h em o d es h a p e sa n dt h ed i s t i n c t i o no ft h en a t u r a lf r e q u e n c i e s b e t w e e nt h ef r e ev i b r a t i o ns t a t ea n dt h er o t a t i n gs t a t ea r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d n l 硼b t h ef i r s tt w ow h i r l i n gs p e e d so ft h es h ms y s t e ma r ec a l c u l a t e d a n dt h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h er a t e ds p e e d , t h es t a b i l i t yo ft h es h a f ts y s t e m o p e r a t i o ni sa n a l y z e d f o u r t h l y , t h ef r e q u e n c i e so ft h em a i ne x c i t a t i o ns o u r c g su p o nt h es h a r s y s t e ma r ec a l c u l a t e d t h ei m p a c to nt h es h a f ts y s t e mo p e r a t i o nb yt h em a i n e x c i t a t i o ns o u r c e sa n dt h ep r o b a b i l i t yo ft h es h a f ts y s t e mo c c u r r i n gr e s o n a n c e v i b r a t i o na l ea n a l y z e di nr a t e dc o n d i t i o n f i n a l l y , t h ef r e ev i b r a t i o ns t r e s so ft h er u l n l e ra n dt h eb l a d ea r ec a l c u l a t e d 皿ei n t e r n a ir e l a t i o n sb e t w e e nt h eb l a d ec r a c k sl o c a t i o na n dt h ef r e ev i b r a t i o n s t r e s so ft h er u n n e r ，b l a d ea l es t u d i e d ，a n ds o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r e d r a w n t h ew o r ko ft h i st h e s i sc o u l dn o to n l yo f f e rs o m er e f e r e n c ef o ra n a l y z i n g t h er e a s o n sf o rt h eu n i to c c u r r i n gr g s o n a n c ev i b r a t i o na n dt h eb l a d eo c c u r r i n g c r a c k sb u ta l s ol a yaf o u n d a t i o no ff u r t h e rs t u d yo ft h es h a f ts y s t e mo ff r a n c i s t u r b i n eg e n e r a t o ru n i t s k e yw o r d s ：f r a n c i st u r b i n eg e n e r a t o ru n i t s ；s h a rs y s t e m ；矗n i 钯e l e m e n t m e t h o d ；n a t u r a lf r e q u e n c y ；m o d es h a p e ；w h i r l i n g 删； e x c i t a t i o nf r e q u e n c i e s ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 符号说明 符号术语单位 m质量t t 时间 s l长度m m p 密度 t r a m 3 e弹性模量m p a 泊松比 五 固有频率 i - t z n 转速 r l m i n 0 3 角速度 r a d s p 功率 m w q 流量 矗| s ， v i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所里交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢 论文作者签 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发布时间： 矗口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 做储餮彰呜导师躲衲母石月加日 广西，“鼻司n b 掌位论文堰流式水蓑? 毫电胡扇e 转动轴系动力特性研究 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 水电是可再生能源，也是我国的重要电力资源，更是广西的支柱产业。我国有丰富 的水能资源，根据最新的勘测资料，我国水能资源理论蕴藏量达6 8 9 亿千瓦，其中技 术可开发装机容量4 9 3 亿千瓦，经济可开发装机容量3 9 5 亿千瓦。目前我国水电装机 容量已突破l 亿千瓦【l j ，水力发电占总发电量的1 5 1 2 1 。随着全球环境状况的不断恶 化，人们对这种清洁能源更为珍爱，迫切需要进一步挖掘利用这种绿色能源，以满足 社会发展和人类健康的需求。 电力供应是社会的动力心脏，机组、电网的运行稳定性问题极为重要，一旦发生事 故，可能造成巨大的经济损失和社会紊乱。世界上一些大电网( 如日本、法国、瑞典、 美国等) 都发生过电网瓦解事故，其中尤以美国2 0 0 3 年发生的电网电压崩溃所造成的损 失最为严重，其停电面积之广，时间之长，令人震惊。如此众多的电网瓦解事故使得发 电机组的振动问题显得十分的重要，其引起的事故轻则导致停机停产，重则会发生毁坏 机组及电站的恶性事故。但是水轮发电机组是一种多物理过程的复杂的能量转换装置， 在强大的磁场、电场和高水头、大流量的水力共同作用下，其振动机理十分复杂，其强 烈振动的现象远未灭迹，不同程度、方式的振动破坏事故频有发生如巴基斯坦塔贝 拉第二电厂水轮发电机1 4 号机组，1 9 9 2 年1 2 月4 日的机组振动强烈网；广西岩滩电站的l 号机组转轮，机组1 9 9 3 年冬天的振动引起厂房剧烈的振动，1 9 9 7 年又发现在转轮的不同 叶片上产生严重的振动裂纹【4 】；广西天生桥一级水电站的4 号机组水轮机2 0 0 4 年发生激烈 振动，导致转轮叶片与上冠联接部位产生严重损坏侈i 因此，发电机组的振动问题历来 受到学术界和工程界的高度重视。 然而长期以来，水轮发电机组的激烈振动现象像一个神秘的幽灵徘徊于各地水电 站，严重影响水电站的安全运行。在高水头、大流量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。综合考虑水力、机械、电磁三方面的影响 因素来研究水轮发电机组振动的内在规律十分复杂，并且任务也非常的艰巨。至今未见 有综合考虑并有成果的文章，其多数的研究是只考虑机组受到水力、机械、电磁三种影 r 。西大掌硬士掌位论文襄霜l 式爿| 睹戋电和u 醋动轴系动力特目衙究 响因素中的一种或两种耦合影响的文章。 本课题所属项目的研究目的是尝试从系统全局藕合的角度研究混流式水轮机的振 动规律。在详细研究其机电耦合和液固耦合问题的基础上，提出表达机电耦合关系和液 固耦合的有限元单元模型，通过这两种单元，用有限单元法建立反映流体状态、机械状 态和电磁状态的系统全局耦合动态方程，然后应用非线性振动理论，研究其多重共振、 组合共振、分数共振等的条件，寻找系统宏观动态性能与水力参数、机械结构参数、电 磁参数之间的内在规律，以期形成以全局耦合动态性能研究为基础的设计、制造、运行 理论。 本论文为该项目的前期工作，是从实体建模的角度来研究机组的动力特性。本文以 结构动力学、转子动力学和有限元法为理论基础，应用p r o ，i 玳g 矾e e r 和a n s y s 工程分 析软件建立机组轴系的有限元模型，并以此有限元模型研究混流式水轮发电机组轴系的 动力特性。本课题研究的意义如下： ( 1 )文中综合应用p r o e n g i n e e r t ：i a n s y s 两种软件进行机组转动轴系的建模 与分析的方法可供他人傲类似结构的建模与分析参考。 ( 2 )根据计算得到的机组轴系及其各部件的动力特性参数，可了解该机组轴系及 转轮、主轴，发电机转子的固有频率和振型，对分析电站机组发生强烈振动的原因有一 定的参考价值。 ( 3 )对转轮及叶片自由振动应力的分析方法及结果可用以确定转轮叶片裂纹产 生的部位，并为叶片裂纹产生的原因和叶片实际的设计、制造提供一定的参考。 ( 4 ) 为本课题所属的基金资助项目的进一步深入研究，如轴系动态响应分析、非 线性振动分析、流固耦合分析、电磁耦合分析以及全局的耦合分析奠定基础。 本学位论文选题来源于国家自然科学基金资助项目“混流式水轮发电机组全局耦合 动态性能研究( 5 0 5 6 5 0 0 1 ) ”。 1 2 混流式水轮发电机组及其振动概述 水轮机是将水流的动能和不同高度的水所具有的势能转换成机械能的一种装置。水 轮机的种类很多，但其基本原理皆是把高处的水导引流下，用水流产生的冲击力推动水 轮机的转轮旋转，转轮因获得能量开始旋转做功，水流的动能与势能就转变为水轮机的 2 r 1 可，矗蚌司n b 掌位论文稿l 流式才q 仑戋电审随转动轴秉动力特性研究 机械能水轮机又与发电机相连接，带动发电机转子同步旋转，切割磁力线做功，输出 电流，即又将机械能转换成电能，完成了水力发电的全过程。混流式水轮发电机组的厂 房布置见图1 1 。 图卜1 混流式水轮发电机组厂房结构布置旧 r i g l 1t h es l n l c b a l l o f t h ef r a n c i st u r b i n eg e n e r a t o ru n i t sw o r k s h o p 混流式水轮机又称为法兰西式水轮机嘲，属于反击式水轮机的一种，其转轮内的水 流由径向流入轴向流出，故称为混流式水轮机。它可适用很大的水头，一般为2 0 - - 7 0 0 米。由于它具有结构紧凑，运行可靠，制造、安装方便，同时具有较高的效率和较小的 气蚀系数等优点，因此在现代的大中型水电站得到了广泛的应用。 ， 混流式水轮机的结构，由于布置方式、单机容量、应用水头的不同，会有不同程度 的差异。但是每一种机构型式都具有为了把水能转变为机械能所必须的几个基本部件， 只是在结构型式上有所区别。混流式水轮机的结构主要包括蜗壳、导叶、转轮、流量控 制器和尾水管。水从电站上游由压力管道进入蜗壳，经过固定导叶再流过导叶进入转轮， 将水所具有的能量转换成机械功后，再通过尾水管排出水面。混流式水轮机结构见图 1 - 2 3 氍萌l 式才q 仑发电机组转动轴囊动力r 稍佳研究 图l _ 2 混流式水轮机结构 f i g l - 2t h e 蛐o f f r a n c i s t u r b i n e 大型混流式水轮发电机组是个复杂庞大的机械系统，随着机组单机容量和水头的提 高，机组振动问题也日益突出，一直是国内外研究的热点与难点，其振动问题也是最为 复杂的动力学问题之一。混流式水轮发电机组的振动是水力一机械电磁三种主要因素耦 合引发的振动，其振动情况非常复杂。在机组运转时，水力一机械电磁三部分相互影响。 例如。当水流流动激起机组转动部分振动时，在发电机转子与定子之间会导致空气间隙 不均匀，由此产生的磁拉力也会加剧或阻尼机组转动部分的振动。反之，转动部分的运 动状态出现某些变化后，必然又要对水轮机的水流流场及发电机的磁场发生影响下面 对引起水轮发电机组产生振动的三大因素：水力、机械、电磁中的具体因素分别作如下 介绍忉。 尊e 流式爿q 仑发电帮u a 转动轴系动力- 特性研究 ( 1 ) 水力因素 水力因素对机组振动的影响最大，其机理也非常复杂，对这方面的研究国内外开 展的也最早最多嗍【9 l 。水力因素主要有； 卡门涡列( k a r m a nv o r t e xs t r e e t ) 引起的振动 尾水管内低频涡带引起的振动 固定导叶出水边水流流态不良引起的振动 水轮机转轮叶片数与固定导叶数匹配不合理引起的振动 汽蚀引起的振动 导叶开口不均匀引起的振动 转轮与导叶间的距离不当引起的振动 转轮和止漏环的间隙不均匀，偏心引起的自激振动 ( 2 ) 机械因素 机械因素主要是由于制造、安装，检修等因素引起的机械不平衡，主要有： 主轴不直 水轮机转轮与发电机转子质量不平衡 转动部件与固定部件不同心，产生摩擦或碰撞 导轴承瓦间隙大 推力轴承推力头松动和推力轴瓦不乎 ( 3 ) 电磁因素 水轮发电机组电磁振动可分为以下两类： 1 ) 转频振动 其振动频率为转频或转频的倍数，产生转频振动的主要原因有： 转子与定子间的空气间隙不均匀 转子外圆或定子内腔不圆 转子动、静不平衡或有匝间短路 2 ) 极频振动 产生1 0 0 h z 极频振动的主要原因有： 定子分数槽次谐波磁势 定子并联支路内环流产生的磁势 负序电流引起的反转磁势 5 广西大掌硕士掌位论文氍荫l 亩i 轮冀电审u 蝻动轴系动力- 特性研究 定子不圆，机座合缝不严 由以上导致机组振动因素可以看出，机组的振动主要是轴系的振动。故使得轴系 的振动成为机组振动研究的重点，也是本文研究的主要内容。机组轴系的的结构及与 周围基础的配合如图1 3 所示。 发电机转子 图1 3 混流式水轮发电机组转动轴系结构布置r 刀 f j g l - 3t h e 曲咖o f l l ，es l l a f t 夥咖l o f f r a n c i s l u r b i n e g e n e r m o r u n i t s 1 3 水轮发电机组动力学研究概况 通过转轴连接的水轮机和发电机系统，称之为水轮发电机组。机组动力学是研究 机组的转轴及其部件的动力学特性的学科。水轮发电机组在运行中存在一定振动，由 于水轮发电机组工作的特殊性，机组振动原因较其它动力机械要复杂得多。除了要考 虑机械部分的振动外，还要考虑流体的动水压力对引水系统、水轮机过流部件的影响， 及电磁力对机组振动的影响。发电机组的振动问题历来受到学术界和工程界的高度重 视。自上世纪六、七十年代，c c 克劳福特、富田久男、佐川、p ，乌利特等人的工作 6 广西大掌硕士掌位论文 灌流式水轮发电机组转动轴系动力特性研究 形成水轮发电机振动问题的研究热潮以来【l o l ，人们的研究热情长久不衰，至今取得了 丰富的成果。近年来，水轮机组振动研究与传统的研究方法相比在研究的深度和广度 都取得了重要的进展。通过向数学、物理学等基础学科借鉴，与计算机技术相结合，新 的研究领域不断涌现，研究和实验手段更加现代化。 有关水轮发电机组振动问题的研究大致可分为三大类： 一是针对机组机械振动特性展开的研列1 1 捌，如机组轴系横向自振特性的计算， 机组轴系的弯曲振动和扭转振动特性，轴承油膜刚度对发电机转子轴承固有频率的影 响，回转效应、水的参振质量以及各种水动力、机械力和电磁力对机组轴系的影响， 日本、巴西和德国对水轮发电机组的机械振动问题也作过相应的研究，等等； 二是就水轮发电机组的机电耦联动力学问题展开的大量研究【嬲6 】，如转子轴径向 位移与轴向电磁力的研究，轴系扭振的分岔和稳定域的研究，定子系统电磁激发的参 强联合共振问题，机组不对称运行时扭转双重强迫共振问题，机组弹性轴系由电磁 参数激发的弯扭耦合振动问题，定子系统磁固耦合双重共振问题，不平衡磁拉力对轴 系径向稳定性的影响，等等； 三是水轮发电机组液固耦合振动问题所开展的工作口7 删，如液固耦合对水轮机固 定导叶振频振型的影响，水轮机转轮内部三维液固耦合振动问题，转轮结构液固耦合 振动的广义模态研究，把有限元法与边界元法相结合来计算水轮机部件流固耦合振动 问题，等等。 学者们的多年研究取得了许多令人欣慰的成果，对水轮发电机组的正常安全工 作，尤其是对大机组、超高压、远距离输出方面的迅速进展起了十分重要的作用，但 迄今未见有综合研究机电耦合和液固耦合联合作用对水轮发机组振动影响的文献 1 4 论文研究的内容 本论文共分五章，主要内容如下： 第一章介绍了课题研究的目的和意义，概述了混流式水轮发电机组的结构及振动原 因和人们现今在机组动力学领域的研究状况，叙述了本文的主要研究内容。 第二章应用p r o e n g 烈e e r 软件建立了混流式水轮发电机组轴系及其各部件的实体 模型和有限元计算模型。 7 j 。西夫掌硕士掌位嵌二乞铀e 流式才。轮戋电 恤转动轴系动力特性研究 第三章研究了机组轴系及其各部件的动力特性，首先应用a n s y s 软件计算了轴 系及其各部件自由振动模态和旋转态模态，得到了机组轴系的振动物理参数。其次计 算了机组轴系的低阶l l 笛界转速和机组的主要激振源的频率。最后分析了机组轴系在额 定工况下的运行状态。 第四章分析了转轮叶片的动力特性，计算了转轮和叶片的自由振动应力，研究了 自由振动应力与叶片裂纹产生的部位及原因的内在联系。 第五章总结全文内容，并指出进一步的研究方向和发展前景。 8 ，。西大璋嘎士掣啦论文翻 流式爿q 险戋电帮u 氢转动轴泵动力特性研究 第二章混流式水轮发电机组转动轴系有限元模型的建立 2 1 引言 机组轴系的稳定性和动力特性是机组安全运行的重要指标，不仅直接影响机组的运 行质量，同时也影响机组的使用寿命。机组轴系的建模是计算分析机组轴系动力特性的 一个及其重要的环节，模型的好坏将直接影响计算的精度和结果的准确性。 p r o e n g i n e e r 是世界上著名的一款c a d 软件，由美国参数公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n , p t c ) 开发 4 7 1 ，拥有强大的曲面及实体造型功能。它的基于特 征的参数化造型、产品的全相关性及装配管理的特征及有限元分析模块使得机组轴系 有限元模型的建立成为可能。 ( 1 ) 全相关性：p r o e n g i n e e r 的所有模块都是全相关的，即在产品开发过程中 对某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括 装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性使得模型的建立与更改变得方便而高效。 ( 2 ) 基于特征的参数化造型：p r o e n g i n e e r 把“特征”和“特征添加”的概念 和方法运用在三维模型的创建中，具有基于特征的全参数化的强大三维建模功能。一 般来说，较常见的3 d 模型以实体特征来建立，复杂度较高的实体造型设计还需要用 到曲面特征曲面特征的创建，除了与实体特征相同的拉伸、旋转、扫描和混成方式 外，也可以由点创建曲线，再由曲线创建曲面，具有很高的灵活性。根据设计需要可 以创建许多单一曲面，然后将这些曲面组合成为完整且没有间隙的曲面模型，最后转 化为实体模型。 ( 3 ) 装配管理：p r o e n g i n e e r 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如 “插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大 型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 本章以国内某水电站混流式机组轴系的尺寸数据为依据，应用p r o e n g i n e e r 软 件强大而又高效的造型与装配功能建立机组转动轴系及其各部件的实体几何模型，并 应用p r o e n g i n e e r 软件中用于有限元分析的p r o m e c h a n i c a 模块建立其有限元模 型，为下一章机组轴系的动力特性分析做好准备。 9 键泣式水轮袭电机组转动轴系动力特性研究 2 2 建立混流式水轮发电机组转动轴系的实体几何模型 混流式水轮发电机组转动轴系主要由发电机转子、发电机主轴、水轮机主轴和水 轮机转轮组成( 本文的轴系模型不考虑励磁机) 。下面先分别建立机组轴系各个部件的 实体几何模型，然后把各部件装配到一起，建成机组转动轴系的实体几何模型。 2 2 1 转轮的实体几何建模 混流式水轮机的转轮主要由上冠、叶片及下环组成。上冠与下环的结构均为圆周 对称结构，几何形状简单。叶片的几何形状复杂，其前后表面均为一个空间的弯扭曲 面，叶片的横截面形状为翼形，出水边很薄。对于叶片的建模采用某水电站实际使用 的混流式转轮木模图为依据，以p e n g i n e e r 软件强大的曲面造型功能来实现。 在建模过程中，需要根据有限元分析中对实际的模拟情况以及保证计算的准确性 和可行性等方面对转轮作适当的结构简化。 转轮模型的简化： 转轮的上冠法兰上均布的多个用于与水轮机主轴相连接的螺栓孔和上冠上开有的 数个减压孔，因对转轮及转动轴系整体的分析影响不大，模型中不加以考虑。转轮模 型中忽略各处的圆角与倒角，焊接处作一体化连结处理。 转轮实体几何建模的过程： ( 1 ) 单张叶片的实体几何建模 利用p r o e n g i n e e r 软件中的从文件创建曲线功能，把木模图的数据输入到文本 中并生成后缀为i b l 文件，然后通过文件内点的数据创建出数条光滑的曲线，即曲面 的骨架曲线，用此方法分别生成叶片前后两曲面的骨架曲线，即得到整个叶片的翼形 截面曲线，如图2 1 所示 ， 先用p r o e n g i n e e r 绘出叶片下端的两个尖点，然后用边界混合命令通过该尖点 及叶片的木模曲线建立出叶片前后两张曲面。曲面生成后利用p r o e n g i n e e r 软件中 的曲面投影( 斑马纹) 分析功能进行曲面质量的检查以保证生成的曲面保持曲率连续， 如图2 - 2 和图2 - 3 所示。此外，还要对生成的两张面进行延拓，在与上冠和下环相连 接的边线处进行延拓，延拓后再检查曲面是否光滑。检查合格后用边界混合命令生成 叶片的进水边和出水边曲面，然后进行各曲面的合并。再做出上冠和下环与叶片交接 处的曲面并与之前合并的叶片曲面进行切割，再把切割后得到的曲面合并，最后再用 1 0 广西杰省的烛掌位论文 寝流式爿q 仑袁龟 l l 组转动轴暴动力特性研究 实体化命令生成叶片的实体。叶片的进水边应用p r o e n g i n e e r 的完全倒圆角命令建 立出圆角以近似代替进水边的圆弧曲面，因为对叶片进行的是动力特性分析，所以用 圆面代替圆弧面，误差很小。至此建成单个叶片实体模型。如图2 _ 4 所示。 ( 2 ) 所有叶片的实体几何建模 此转轮共有1 3 个叶片，沿轴线圆周均布。创建时先把生成单张叶片的所有特征形 成一个组，然后用旋转阵列命令即可生成所有的叶片，如图2 5 所示。 ( 3 ) 转轮的实体几何建模 依照尺寸草绘出上冠和下环的轮廓线，绕轴旋转即建出实体。连同叶片一起完成 转轮实体的创建，如图2 - 6 所示。 转轮的主要几何参数如下： 转轮直径：8 0 0 0 m m 转轮高度：5 1 9 0 r a m 上冠外径：6 4 9 2 m m 下环高度：2 0 4 0 r a m 下环上端直径：8 2 0 0 m m 下环底部外径：8 6 0 0 m m 叶片形状：传统叶片 叶片个数：1 3 图2 - 1 叶片的木模图曲线 f i 9 2 1t h ec l m v e so f t h eb l a d e ；蒸 j 1 夫掌马e 士学位论文襄摩式水囊! 戋电考u l u 陪动- ，鼋，力特性研究 图2 - 2 叶片正面曲面投影图2 - 3 叶片背面曲面投影 f i 9 2 - 2 t h e f r o n t s u r f a c e s h a d o w o f t h c b l a d e f i 9 2 - 3 t h e b a c k s u r f a c e s h a d o w o f t h c b l a d e 图2 - 4 叶片实体模型图2 - 5 所有叶片实体模型 f i 9 2 - 4t h es o l i dm o d e lo f t h eb l a d ef i 9 2 - 5t h es o l i dm o d e lo f t h eb l a d es e t 广蕾r 夫掣嘱曩士掌位能吁 氍流式拳麓毫电机粗辅锄轴赢动力特性研究 圉2 - 6 转轮实体模型 f i 9 2 - 6t h es o l i dm o d e lo f t h en l n n e r 2 2 2 水轮机主轴和发电机主轴的实体几何建梗 主轴是水轮发电机组的关键部件之一，通过它实现水轮机与发电机之间的扭矩传 递进而做功发电。 水轮机主轴与发电机主轴材质相同，结构相似，均用来传递扭矩，故把它们看作 是一个整体来进行分析。两主轴的建模方法相同，在建模过程中，需要根据有限元分 析中对实际的模拟情况，以及保证计算的准确性和可行性对主轴作适当的结构简化a 两主轴模型的简化： 因分析研究的是整个转动轴系，故简化掉对整体分析结果影响不大的特征，如两 主轴法兰上均布的螺栓孔、紧固螺钉孔、定位销孔、法兰与轴身连接处的锥轴段及轴 身各处的倒角圆角均不加以考虑。另外与推力轴承配合的轴肩环与发电机主轴作一体 化建模。 f - 蕾r 大掌胃【士掌位论文稿i 嗣l 式水麓鬟电枷t 动轴，：动力铜 佳研究 两主轴实体几何建模的过程： 在p r o e n g i n e e r 中草绘出诱轴的轮廓经旋转命令生成两轴实体模型，如图” 和图2 8 所示。然后把两轴进行装配，把发电机轴的下法兰面和水轮机轴的上法兰面 重合，使之成为一个整体，得到两主轴连接体的实体几何模型，如图2 - 9 所示。 两主轴的的主要几何参数如下： 发电机主轴 全长：5 6 5 0 m m 外径：1 9 0 0 r a m 内径：1 4 5 0 r a m 法兰直径：2 7 1 0 r a m 图2 - ? 发电机主轴 f i 9 2 - 7t h eg i n , t a r o ts h a l l 水轮机主轴 全长：6 3 4 0 m m 外径：1 9 0 0 m m 内径：1 4 5 0 r a m 法兰直径：2 7 1 0 r a m 圈2 - 8 水轮机主轴 f i 9 2 8t h et u r b i n es h a r 图2 - 9 两主轴连接体 f i 9 2 - 9t h ea s s e m b b , s o l i dm o d e lo f t h e 学m a 劬蝴a n d t h et u r b i n es h a f t 1 4 广蕾r 大掌习士掌位论文翻l 磊：式才礴鲁戋电机组转动轴曩动力麓r 性研究 由于轴系有限元分析的需要，需要建立发电机的一段上轴用以配合上导轴承的支 承，上轴段的几何模型如图2 1 0 所示： 发电机上轴段的主要几何参数： 全长：1 5 0 0 m m 外径：1 4 0 0 r a m 内径：9 0 0 r a m 法兰直径：1 9 0 0 i n m 图2 一l o 发电机上轴段 f i 8 2 - 1 0 a s e c t i o n o f g e n e r a t o r u p p e r s h a f t 2 2 3 发电机转子的实体几何建模 发电机转予主要由圆盘式转子支架和磁极组成，这里分别建立这两部分的实体几何 模型，再将两部分装配到一起建成发电机转子实体几何模型。 转子模型的简化： 转子支架的实体几何模型主要由与发电机轴相连接的转子中心体、支板和磁轭组 成，其它的零件略去不加以考虑。转子支板的结构比较复杂，结构上作了简化；外环的 磁极主要由转子电枢铁芯和电枢绕组构成，结构非常复杂，对其进行精确造型非常困难， 故建模时以四十个圆周回转体块代替其结构以进行简化；忽略转子模型中各处的圆角和 倒角。 转子实体几何建模的过程： 草绘转子支架与磁极，然后通过p r o e n g i n e e r 软件中的旋转和阵列命令即可绘出 支架和磁极的模型，再将两者转配成一体即可得到转子的几何模型。建立的发电机转子 支架、磁极和转子的实体几何模型如图2 1 l 、图2 一1 2 和图2 - 1 3 所示。 发电机转子的主要几何参数如下： 转子外径；1 6 1 8 8 m m 转子高度：2 9 0 0 m m 中心体辨径：4 5 0 0 r a m 中心体高：2 5 2 0 m m 支架外径：1 4 4 0 8 m m 支架高度：2 5 3 0 m m 支架形式：圆盘式支架 广冒r 大掌马【士学位论文 规巍式爿q 眨袁龟觚曩l 转动轴，：鼋才力- 铮佳研究 图2 - 1 1 转子支架 f i | 2 l ll k b r k e to f f i l er o t o r 图2 - 1 2 转子盾极 f i 9 2 - 1 2t h ep o l eo f t h er o t o r 图2 - 1 3 发电机转子 f i 9 2 1 3t h es o l i dm o d e lo f t i m r o t o r 2 2 4 机组转动轴系的实体几何建模 上述各部件的实体模型被建立后，应用p r o e n g i n e e r 的装配功能把它 f 】装配连接 起来即得到机组转轮主轴发电机转子转动轴系整体的实体几何模型。连接处做一体化 连结处理，以建成转动轴系实体。实体模型如图2 1 4 所示。 ，1 ，大掌【士掌位论文 薯墟式才螗毫取曩麓誊轴，i 动力糟r 佳研究 圈2 - 1 4 混流式水轮发电机组转动轴系 f i 9 2 - 9t h e s o l i dm o d e lo f t l s h a f ts y s t e mo f f i l ef r a n d sm r b i n cg c n c r a t o fm i t s 2 3 建立混流式水轮发电机组转动轴系的有限元模型 2 3 1 机组转动轴系计算模型的假设 混流式水轮发电机组的转动轴系在工作过程中所处的状态非常复杂，动态特性取决 于多方面的因素，因此，在建立其有限元模型之前必须对真实轴系进行一系列的简化假 设，假设如下： 1 7 ，。西，o 墼硕士掌位论文 理荫：式水轮基电机组转动轴系动力- 特性研究 ( 1 ) 假设转动轴系为一定常系统，并且为线弹性体； ( 2 ) 模型材料认为是各向同性的，密度分布均匀： ( 3 ) 假定位移和变形都是微小的，即小变形情况； ( 4 ) 轴系各部件之间的连接作一体化连结处理，连结后轴系看作一个整体，三个 导轴承和一个推力轴承假设为刚性支承。 计算模型简图如图2 - 1 5 所示 图2 - 1 5 转动轴系的简化计算模型 f i 9 2 - 1 5t h er e d u c e dc o m p u t a t i o n a lm o d e l i n go f t h es t i a f is y s t e m 2 3 2 机组转动轴系有限元模型的建立 实体几何模型建立后必须建立有限元模型才能对模型进行动力学的有限元分析。所 谓有限元模型是指对实体几何模型进行细小单元的划分，使之变成众多微小单元和节点 的组合，即有限元模型是通过网格划分，将实体模型离散而得到的，此时有限元模型包 含节点数、节点编码、节点坐标以及单元数、单元编码等数据。一般来说，一个典型的 有限元模型是由节点、单元、边界条件、材料特性和外载荷组成的。有限元模型的质量 优劣非常重要，它将直接影响到计算结果的精度与分析效率。 本文应用p r o e n g i n e e r 软件的有限元分析模块p r o m e c h a n i c a 来建立机组转 动轴系及其各部件的有限元模型| 4 8 1 1 4 9 1 。p r 栅c h a n i c a 提供了结构、振动、机械动力 1 8 ，。西大尊颐士掌位论文 氍漶式习q e 戋电朝囊艮转动轴泵动力特性研究 问题等多重相关的解决方案。p r o ，m e c h a n i c a 模块有两种工作方式，分别为集成式与 独立式。在集成式中，p r o 徽h a n i c a 模块与p i 棚巳】n g i n e e r 可实现完全的无缝集成， 此时用户可在p r o e n g 烈e e r 界面中建立有限元模型，无需启动p r o m e c h a n i c a 用 户界面，这样可以减少模型在p r 扼n g 斟e e r 与p r 0 ，m e c h a n i c a 之间的转换。集成 式工作方式又分为两种子工作方式，分别为m e c h a n i c a 式与f e m 式。在m e c j 强n i c a 式 。 中，p r o ，l 皿c h a n i c a 采用p - c o d e 单元划分模型，并应用白带的可适应求解器来进行计 算。在f e m 式中，p r o 懈扎n i c a 可以为a n s y s 、n a s t r a n 和a b a q u s 等产品 建立完全相关的f e a 网格( 采用h - c o d e 单元划分模型) ，使用公共仿真环境，只需定 义一次边界条件。一旦生成网格，模型就可以被输出到有限元分析程序，其中包括 a n s y s 、c o s m o s ，m 、m s c ，n a s 砸u n 和m s c 肥a t r a n ，以便任何时候都不用离开 p r o m e c h a n i c a 环境，而利用这些一流解算装置的高端分析工具。提高效率，因为没 有任何必要再运行多个程序或在系统之间转换文件。 本文应用p r o j 唧h a n i c a 模块集成模式中的f e m 模式来建立机组轴系及其各部 件的有限元模型。有限元模型建立的过程如下： ( 1 ) 定义材料： 机组轴系中转轮的叶片和下环材料为z g o c r l 3 n i 5 m o ，上冠材料为z g 2 0 s 砌o ，文 中统一以合金钢代替：支架和中心体材料为a 3 钢；磁极的材料有多种组成，其中线棒 材料为5 2 殷2 3 6 8 m m 双玻璃丝包扁铜线编制而成，故本文取磁极的材料物理参数为 纯铜的物理参数；发电机主轴和水轮机主轴1 8 m n _ m o n b 铜锻制；材料物理参数取为不 锈钢的物理参数。 机组轴系各个部件的的材料及物理力学参数( 弹性模量、泊松比、密度等) 的具体 数据如表二l 所示。 表玉l 转动轴系各部件材辩及其物理力学参数 t 曲l e 2 - 1t h ep h y s k g 曲，舱m c sp a r a m e t e ro f e hs e v e r a lc o m p o n c n to f f h es h a f ts y s t e m 部件名称材料弹性模量( m p a )泊松比密度蛳l m 3 ) 转轮合金钢 2 1 0 0 0 00 37 9 e - 9 主 轴不锈钢 2 0 l ；o o 37 8 5 棚 转子支架 a 3 钢2 0 6 0 0 0o 37 8 5 e 9 转子磁极 多种材料( 用纯铜代替) 1 1 0 0 0 0 0 3 28 8 5 e 9 广西大掌司n b 学啦论文奢已洼式水辖。裳电考u