[发明专利]一种水轮机轴系转子动力学模态计算方法

说明书

本发明公开了一种水轮机轴系转子动力学模态计算方法，首先，对水轮机轴系及转轮周围水体三维建模；然后，对步骤1中所建模型进行网格划分；接着，设置有限元分析的边界条件；再接着，基于ANSYS Mechanical APDL软件求解湿模态特性；最后，对步骤4所求解的模态结果进行分组，绘制Campbell图。本发明的计算方法可同时考虑水轮机轴系转速和周围水体附加质量的影响，大大提高了轴系模态的计算精度。

技术领域

本发明属于水力机械及工程设备技术领域，具体涉及一种水轮机轴系转子动力学模态计算方法。

背景技术

水轮机是开发水力资源的重要设备，其一直受到共振和疲劳问题的困扰。为了避免轴系结构因动应力过大而引起的共振和疲劳损伤，确定轴系结构的动态响应，即确定其模态响应至关重要。由于轴系通常由轴、转轮、交流发电机、轴承和密封件等组成，其动力学模型非常复杂，有时甚至是非线性的，因此确定这些机械转动部件的模态响应极为困难。

水轮机的转轮通常浸没在水里，这对整个轴系的模态特性有很大影响。因此，研究旋转结构的“湿”模态特性而不是“干”模态特性非常重要。在确定水轮机轴系的模态特性时，必须考虑转轮周围水体的附加质量效应。当转轮在水中时，轴系的固有频率会低于空气中的固有频率，这意味着轴系更有可能受到低频激励而共振。目前对简单模型(如翼型或圆盘)的模态研究，为理解流体对转轮模态特性的影响提供了理论基础。关于流体附加质量对水轮机模态特性的影响，目前的研究主要集中在混流式水轮机和水泵水轮机的转轮模态上。

除了考虑转轮及其附加质量效应外，还必须考虑轴对整个转子动力学的影响。对于水轮机来说，转轮的模态特性因轴而改变。此外，在通常具有长轴的水轮机中，陀螺效应起着重要作用，即在分析轴系的动态特性时，轴系的转速不能忽略。轴承及其负载的影响会影响整个转子的稳定性。目前的研究技术，在分析整个轴系的模态特性时，大多数研究没有考虑转轮周围水体的影响，对水轮机轴系的湿模特性还没有得到深入的研究。现有的轴系模态计算方法，不能同时考虑结构转动时转轮周围水体的附加质量的影响，这导致计算出的模态频率仅仅为空气中的模态，并不能反映真实的情况。

发明目的

本发明的目的即在于解决现有技术所存在的不足，提出了一种水轮机轴系湿模态的计算方法，可同时考虑轴系转速和周围水体附加质量的影响，可对现有的算法进行改进，大大提高轴系模态的计算精度。本发明以水轮机轴系为研究对象，以某灯泡贯流式水轮机轴系为例，同时考虑轴系转速和周围水体附加质量的影响，进行了灯泡贯流式水轮机轴系湿模态的计算，并提出了灯泡贯流式水轮机轴系修正的Campbell图。本发明不仅适用于灯泡贯流式水轮机轴系转子动力学模态计算，还可用于水力机械轴系模态计算，如混流式水轮机、冲击式水轮机、水泵水轮机等。

发明内容

本发明提供了一种水轮机轴系转子动力学模态计算方法，包括以下步骤：

步骤1、水轮机轴系及转轮周围水体三维建模，所述水轮机包括灯泡体、定子、发电机转子、径向轴承、推力轴承、主轴、转轮,在水轮机本体及转轮外侧为水流；

步骤2、对步骤1中所建模型进行网格划分，以便进行有限元分析；

步骤3、设置有限元分析的边界条件，包含径向轴承和推力轴承的刚度系数、水体的阻抗边界条件、转速、等效磁拉力刚度系数；

步骤4、求解湿模态特性，所述湿模态相对于干模态而言，即指转轮在水中运行时的模态分析，须考虑周围水体质量的影响；所述求解基于ANSYS Mechanical APDL软件，并嵌入所编写的考虑水体附加质量的程序语言；根据水轮机组实际运行情况确定需要求解的转速范围及所需求解的阶数，选择一定间隔进行求解；

步骤5、对步骤4所求解的模态结果进行分组，绘制Campbell图。

优选地，所述水轮机为灯泡贯流式水轮机机组。