电网冲击下超(超)临界汽轮发电机组轴系-叶片弯扭耦合振动特性的研究

本项目提出采用混合建模的阻抗匹配法对超(超)临界汽轮发电机组轴系和叶片进行整体建模，通过理论和试验研究电网冲击下超(超)临界汽轮发电机组轴系-叶片弯扭耦合的振动特征和复杂非线性动力学行为。分析电力系统正常工况或短路故障下的冲击特性，提取冲击信号的信息；建立机组轴系扭振和叶片弯振模型及相应计算方法，以获取轴系扭振和叶片弯振模态；采用阻抗匹配法建立机组轴系-叶片弯扭耦合振动模型，计算系统耦合振动的频率、振型等特征，分析耦合振动的分岔、混沌等非线性特性；开展模拟试验研究，校验对电网冲击下轴系-叶片弯扭耦合振动的理论分析结果的有效性。.本项目的研究可为超(超)临界汽轮发电机组的故障诊断提供重要的理论支撑，对于改进机组轴系与叶片的优化设计具有重要的借鉴意义，对保障超(超)临界汽轮发电机组的安全运行也具有重要的工程应用前景。

超(超)临界汽轮发电机组的研制、生产和发展是火力发电节约能源、改善环保、提高发电效率、降低发电成本的必然趋势。电力系统故障和一些运行方式都能引起电网振荡，激发起汽轮发电机组轴系扭振，严重威胁着机组的安全运行。而机组通常是由多级叶轮和轴所组成的复杂系统，轴的扭转振动和叶片的弯曲振动之间具有一定的耦合性。项目按照计划完成了电网冲击下超(超)临界汽轮发电机组轴系-叶片弯扭耦合振动特性的研究，主要成果如下：. 项目研究汽轮发电机组轴系扭振和叶片模型及计算方法，应用连续质量模型的轴系模化和改进Riccati传递矩阵方法获得轴系扭振的固有频率和振型，应用有限元参数化的建模及计算方法获得叶片的特性参数。. 提出了机组轴系-叶片弯扭耦合系统整体混合建模的方法，采用混合建模的阻抗匹配法对轴系和叶片进行整体建模，获得了轴系-叶片弯扭耦合的固有特性，在此基础上求得了轴系-叶片弯扭耦合振动的非线性特性。. 项目基于多段集中质量模型，应用增量矩阵法将Riccati传递矩阵和Newmark-β法相结合，改进传递矩阵的算法，建立了汽轮发电机组轴系扭振瞬态响应模型，对典型电力系统冲击（如三相短路，两相短路，非同期并网等）下的轴系扭振响应进行了仿真分析。所得研究成果对于机组轴系的动态设计及进一步提高大电网、大机组的安全可靠运行具有重要的参考价值。. 项目对汽轮发电机组轴系的非线性动力学行为进行了研究。以转子系统为研究对象，建立了不平衡转子-密封系统和不平衡转子-轴承-密封耦合系统的数学模型，分析了两种系统的非线性动力学特性，并研究了不平衡转子-轴承-密封耦合系统在平均周向速比常数影响下的分岔特性及动力学行为。. 提出并设计了汽轮发电机组模拟系统的弯扭试验，并将非线性的振动信号分析方法应用到弯扭振动信号分析中，分析结果表明电网冲击下轴系的弯振和扭振是相互影响、相互作用的，并发现扭振有抑制轴系复杂频率振动的能力，弯振三维谱图上显示出冲击时刻频率变化的痕迹，对扭振持续时间的计算有重要意义。试验填补了国内外电网冲击下汽轮发电机组弯扭振动试验的空白，所得数据对电力系统动态设计和机组轴系设计有重要意义。