[发明专利]一种基于Grover‑Manson准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法

说明书

技术领域

本发明一种基于Grover-Manson准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，涉及抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测领域。

背景技术

抽水蓄能发电电动机有发电和电动两种主要工况，其转速高，单机容量大，且机组启停频繁、转子存在正反转情况，运行工况复杂，运行环境较一般水轮发电机更恶劣，同时随着抽水蓄能电站运行年限的增长，使得发电电动机的故障和事故频发，安全稳定问题日益突出。

目前对于抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测的研究较少，由于发电电动机存在发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况，各种工况对转子鸽尾部的综合作用形成应力载荷谱作为累积疲劳分析的载荷，再结合一定的计算准则进行疲劳寿命预测。已有研究方法是通过静力学计算得到每种工况的最大应力分布，再将其作为载荷进行疲劳寿命预测，这种方法无法反映出应力分布随时间变化的情况。此外，也没有通过计算准则对抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部进行疲劳寿命预测的研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于Grover-Manson准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，根据抽水蓄能电厂提供实际不同运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算得到不同工况下离心力所引起的应力随时间变化的分布情况，并结合热应力的作用，分别对各种工况单独进行疲劳寿命使用次数计算，根据已运行m年的发电电动机各种工况实际发生次数，应用Grover-Manson准则将疲劳破坏分成疲劳裂纹形成和疲劳裂纹扩展两部分，实现了考虑各种工况共同影响的累积疲劳寿命预测。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于Grover-Manson准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

1)、根据抽水蓄能电厂提供实际运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算，分别得到发电电动机转子鸽尾部在发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下离心力所引起的应力随时间变化的分布情况；

2)、由电磁损耗引起电机的温度变化，而由此产生的热应力与离心力引起的应力进行矢量求和；

3)、根据发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下的总应力分布情况，绘制在不同工况时最容易出现疲劳破坏点处的应力随时间变化曲线，并根据曲线计算此处可使用的疲劳寿命次数；

4)、将已运行m年的发电电动机实际各种工况发生次数，及各种工况下疲劳寿命使用次数代入Grover-Manson准则计算公式，可分别考虑疲劳裂纹形成和疲劳裂纹扩展，并根据裂纹形成及扩展过程计算得到该发电电动机转子鸽尾部的累积疲劳寿命使用年限。

一种基于Grover-Manson准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1)：建立电机1/2周期模型，采用有限元法进行电磁场-温度场-结构场耦合数值计算，通过对电磁场控制方程(1)-(3)和温度场控制方程(4)(5)进行有限元数值计算得到由电磁损耗引起的温度稳态分布，再由温度相比初始温度的变化对方程(6)进行求解得到热应力分布情况；

式中，V₁是涡流区(转子绕组)，V₂为源电流区(定子绕组)，σ为电导率，μ为相对磁导率，为源电流密度，Q为电磁损耗(包括源电流及涡流引起的损耗)。

式中，Q为能量损耗；k_x,k_y,k_z分别表示热导率的各向异性参数；h为传热系数；T为求解温度；T₀为环境温度。

式中，i,j,k＝1,2,3；ε_ij为应变张量；σ_ij为应力张量；σ_ij,j为应力张量对坐标的偏导数；E为弹性模量；ν为泊松比；β为热膨胀系数；ΔT为温度相比初始温度的变化量；F_i为外力的分量；u_i,j为位移对坐标的偏导数；δ_ij为应力因子，i＝j时为1，i≠j时为0。