大型汽轮发电机端部绕组动力学特性及其结构优化设计方法研究

As the core equipment of power system, the high level vibration amplitudes of large turbogenerator stator end winding may result in structural damage and other serious consequences. So the reasonable design of end structure is very important for the safe operation. This project intends to use a large turbogenerator stator end winding as the research object, focusing on analyzing the dynamic characteristics and structural optimization design method. The model of orthotropic stiffened laminated composite shell is set up. Together with finite particle method and finite element method, the dynamic performance and dynamic response under electromagnetic forces of stator end winding which vary with different structure and material parameters are obtained. And the initial deformations of bars are considered in the used methods. Then the operating modal can be obtained by means of rotating dynamics theory and modal parameter recognition. And the relations between operation modal and traditional modal results are discussed. At last, based on the research achievements of dynamic characteristics and approximate model, the optimization design method of complex stator end structure are proposed. The research results have extremely important significance in understanding dynamic characteristics mechanism and can provide theoretical foundation for and optimization design of large turbogenerator end structure.

作为电力系统的核心设备，大型汽轮发电机定子端部绕组振动幅值过大会导致端部结构破坏，产生严重的后果，因此端部结构的合理设计及其优化是急需解决的关键问题。本项目以大型汽轮发电机端部绕组为研究对象，开展系统动力学特性及其优化设计方法研究。考虑制造过程中线棒初始变形的影响，通过建立正交各向异性叠层加筋圆锥壳模型、有限质点模型和有限元模型，研究各种结构及材料参数条件下端部绕组动态特性和电磁力作用下动力响应的变化规律；结合旋转动力学及参数识别方法获取发电机运行过程中端部绕组的工作模态，探讨其与传统模态分析结果的相关性；基于端部结构动力学特性研究成果和近似模型技术，研究端部绕组结构优化方法。本项目研究成果为大型汽轮发电机端部绕组动力学特性的认识，以及端部结构的优化设计奠定理论基础，具有极其重要的理论意义和应用前景。

深入研究大型汽轮发电机端部绕组的动力学特性及结构优化设计方法对于其安全运行至关重要。本项目首先建立端部绕组的动力学数字化机理模型，将双层绕组结构视为壳体，内外层支撑结构作为环肋与筋条，基于离散单元法将端部绕组等效为叠层加筋加肋圆锥壳模型。借助适用于各种复杂弹性边界条件的改进傅里叶级数的瑞利—里兹法，建立了端部绕组的固有、受迫振动方程。并进一步完善相应的有限元模型进行相互验证。. 同时，从模态试验分析角度入手，探讨基于最小二乘复频域法进行模态参数识别并研究物理参数识别方法及工作模态问题。拟合的模态参数与有限元模型计算结果吻合较好；提出了一种用于等效圆锥壳模型的物理参数识别方法，利用识别后的质量刚度阵得到频响函数与测量结果基本一致；研究工作模态中时钟时间抖动和空间抖动对工作模态的影响并进行了相应的验证。. 此外，研究了基于近似模型的结构优化设计方法。根据前期有限元模型作为基础，通过试验设计得到多参数共同影响下端部绕组的动力特性和动力响应变化规律，利用响应面以及支持向量机方法得到输入参数与动力学性能之间的对应近似模型关系，并可用近似模型快速预测全设计范围内对应的动力学性能，为结构优化设计奠定基础。. 本项目从机理模型入手，结合数值仿真和模态试验技术并进行相应的智能优化设计，后续将再此基础上进一步深入研究，以期在工业大数据智能制造背景下，对大型汽轮发电机的合理化制造以及运行过程中的健康监测提供必要的理论依据和科学参考价值。