水電站機組和廠房耦合系統非線性動力學問題研究

《水電站機組和廠房耦合系統非線性動力學問題研究》是依託大連理工大學,由馬震岳擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水電站機組和廠房耦合系統非線性動力學問題研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬震岳

項目摘要

我國已建、在建和擬建的大型甚至巨型水電站工程日多，機組和廠房振動穩定性問題日益突出，理論研究和工程實踐仍然滯後。機組軸系統是振動的主體，廠房是其重要的基礎支承結構，水力、機械和電磁作用是其主要的激勵源，系統的相互耦合和非線性特徵甚為顯著,振動穩定性問題的理論解析、數學表達和工程解決一直是研究的熱點和難點。本課題重點在於建立綜合考慮軸承、密封、電磁、支承等單元非線性特性的機組-廠房耦合系統非線性動力學模型，探討其動態非線性條件下的系統剛度、自由振動特性、強迫振動反映和穩定性判據；同時對水機電耦合系統的動力特性進行模擬，解析其穩態尤其是非穩態運行條件下的激勵特性，進而研究其誘發的機組和廠房的振動穩定性;利用已獲得的原型電站振動試驗數據，進行信號分析和識別反演，評價驗證和修正完善數學模型;最後，以廠房鋼筋混凝土結構為主要對象，研究其在機組綜合激勵源作用下的傳力機理、受力特徵和振動反應。

結題摘要

水電機組的單機容量和引用水頭越來越高，振動問題也愈益突出，耦合系統的非線性問題成為目前研究的熱點和難點，尤其是振動激勵載荷和系統振動參數的擾動性成為振動預測與控制的關鍵問題。本課題研究是在以往研究的基礎上，針對振動激勵的非線性，結構參數非線性和耦合系統的振動傳導問題開展研究。主要內容和學術成果包括： 針對水電機組軸系耦合系統中各獨立單元、荷載及整體系統開展非線性動力特性分析，著重分析了水輪發電機組轉子-軸承系統在不平衡磁拉力（UMP）激勵作用下的非線性特性，討論了有無勵磁電流情況下的系統所呈現的不同非線性動力學行為並提出了在UMP作用下提高系統穩定性的有效措施。進而建立了新的機組軸系-廠房耦合非線性模型，利用Fortran語言和UPFs二次開發成功解決了非線性磁拉力和和導軸承油膜剛度非線性實時載入的問題，並在此基礎上進行整體結構的有限元仿真分析。 建立了包含頂蓋子系統的水電站振動傳遞模型，分析了考慮參數具有隨機性時多振源多路徑結構的振動回響，並在此基礎上重點研究了參數在多種擾動因素共同作用以及各因素之間、參數之間存在相關性時的結構振動傳導問題，特別是各參數擾動靈敏度以及路徑傳導靈敏度問題。討論了參數具有兩類相關性時結構回響的精度以及擾動範圍。 研究了基於有限元的功率流方法，系統分析彎曲波、剪下波、縱波激勵時水電站廠房耦合板牆結構能量傳導規律，深入研究了主副廠房耦聯結構的振動傳導問題，討論了主副廠房分隔縫的填充材料選用以及圍岩約束問題，最終實現了以功率流為基礎的大型水電站結構振動傳導的有限元仿真。 結合本課題的開展，完成學術論文15餘篇（已正式發表15篇，SCI收錄2篇，EI收錄7篇）；出版學術專著《水電站廠房和機組耦合動力學理論及套用》，成果“水電站廠房和機組動力學及其耦合振動研究與套用”通過了遼寧省科學技術廳組織的專家鑑定，認為總體上達到了國際領先水平，並被評為中國水力發電科學技術三等獎；培養博士和碩士研究生15名，其中博士研究生6名，3人即將完成學業，已畢業碩士研究生5名。課題研究的科學意義和套用價值在於，通過探討振動荷載及參數非線性的特性和分析方法，揭示整體耦合系統的非線性特性，並套用於大型水電站結構的動態仿真計算，從而為機組和廠房結構的動力最佳化設計和振動控制提供理論指導和技術依據，對我國大量巨型電站和抽水蓄能電站的建設，具有明顯的套用價值。