CN107391783A - 一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法，通过对非对称联合循环机组轴系进行三维建模和有限元网格划分，得到有限元模型，对其施加边界条件进行不平衡响应计算，得到各轴承位置处两个主惯性轴方向的位移响应，在常见轴承标高和刚度变化范围内，依次同时改变n(n＝1,2,…,8)个轴承的标高和刚度，得到8个轴承处的不平衡响应，记录得到各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库。对非对称联合循环机组轴系进行实验测定，布置传感器进行振动监测。实验过程中通过检测各轴承振动响应变化规律，在数据库中寻找相应工况，即可得到振动响应变化问题的产生原因，从而实现非对称联合循环机组轴系的振动监测。

Description

一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测 方法

技术领域：

本发明涉及一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法。

背景技术：

20世纪末以来，发电技术日趋成熟，世界范围内能源资源结构也发生了重大变化，人们对环境保护的要求也日益增强，燃气-蒸汽联合循环系统以其供电效率高、运行启停快、建设周期短、占地少、对环境污染极小等明显优势在电力系统中地位越来越高，逐步代替燃煤供热机组，成为主要发展趋势。

在各大热电中心的建设过程中，非对称的空冷发电机转子逐渐应用在联合循环机组轴系中。发电机转子的截面刚度采用非对称形式，转子本体呈圆柱形，表面沿圆周铣有若干轴向槽。由于发电机截面刚度不对称，导致转子在旋转到不同角度时，转子的静挠度会有差别，而挠度的差别直接导致了不同角度的动刚度不同，因此导致非对称联合循环机组轴系振动相比完全对称轴系振动出现了不同的特征，这就给非对称联合循环机组轴系振动监测带来了极大的困难。

基于以上原因，寻找非对称联合循环机组轴系振动监测方法，对于联合循环机组轴系振动监测至关重要，对于减少振动故障的发生，降低经济损失具有重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是针对目前对非对称联合循环机组轴系振动监测分析研究的不足，提供了一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法，为减少振动故障的发生奠定基础。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法，包括以下步骤：

1)收集非对称联合循环机组轴系的几何参数，包括各轴段半径及长度、各圆角位置及半径；

2)根据几何参数进行三维建模得到非对称联合循环机组轴系的三维模型；其中，非对称联合循环机组轴系由非对称发电机转子、高中压转子、中间轴转子、SSS离合器、低压转子以及低压延伸轴六部分依次连接构成，整个轴系共有8个轴承支承；

3)对步骤2)中得到的非对称联合循环机组轴系进行网格划分得到非对称联合循环机组轴系有限元模型，其中除SSS离合器部分采用四面体及四棱锥单元划分外，其余部分均采用8节点六面体单元划分；

4)对步骤3)中得到的非对称联合循环机组轴系有限元模型设置材料属性及边界条件，进行不平衡响应分析，得到不平衡响应分析结果；

5)根据步骤4)得到的非对称联合循环机组轴系不平衡响应分析结果，处理得到各轴承位置处两个惯性轴方向的响应曲线；

6)在常见轴承标高和刚度变化范围内，依次同时改变n个轴承的标高和刚度，得到8个轴承处的不平衡响应，记录得到各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库，其中，n＝1,2,…,8；

7)对非对称联合循环机组轴系进行实验测定，分析有限元计算结果，在相应位置布置传感器进行振动监测，实验过程中通过检测各轴承振动响应变化规律，在数据库中寻找相应变化规律的工况，即可得到振动响应变化问题的产生原因，从而实现非对称联合循环机组轴系的振动监测。

本发明进一步的改进在于，步骤4)具体包括以下实现步骤：

401)对非对称联合循环机组轴系有限元模型设置材料属性，包括密度、弹性模量及泊松比；

402)对非对称联合循环机组轴系有限元模型设置边界条件：轴承处固定约束、低压转子最大直径轴段处施加不平衡力、离心力载荷；

403)在进行不平衡响应计算时，轴系弹性结构系统的振动微分方程为：

404)式中：[M]——结构整体的质量矩阵；[C]——结构整体的阻尼矩阵；[K]——结构整体的刚度矩阵；{δ}、和——结构整体各节点的位移向量、速度向量和加速度向量；{F}——结构整体的外载荷向量；

405)通过求解公式(1)，进行有限元分析后得到非对称联合循环机组轴系的不平衡响应振动特性{δ}。

本发明进一步的改进在于，步骤6)具体包括以下实现步骤：

601)在非对称联合循环机组轴系有限元模型中，在常见轴承标高变化范围内，依次同时改变某n个轴承的标高，重复步骤3)中有限元计算，得到某n个轴承标高变化时8个轴承处的不平衡响应{δ₁}；

602)在非对称联合循环机组轴系有限元模型中，在常见轴承刚度变化范围内，依次同时改变某n个轴承的刚度，重复步骤3)中有限元计算，得到某n个轴刚度变化时8个轴承处的不平衡响应{δ₂}；

603)记录以上计算结果，建立各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库，作为步骤7)中实验结果的对比数据。

本发明具有如下的优点：

本发明通过对非对称联合循环机组轴系进行三维建模和有限元网格划分，得到非对称联合循环机组轴系的有限元模型，对其施加边界条件进行不平衡响应计算，得到各轴承位置处两个主惯性轴方向的位移响应，在常见轴承标高和刚度变化范围内，依次同时改变n个轴承的标高和刚度，得到8个轴承处的不平衡响应，记录得到各轴承响应随某n(n＝1,2,…,8)个轴承标高及刚度变化的数据库。对非对称联合循环机组轴系进行实验测定，分析有限元计算结果，在相应位置布置传感器进行振动监测。实验过程中通过检测各轴承振动响应变化规律，在数据库中寻找相应变化规律的工况，即可得到振动响应变化问题的产生原因，从而实现非对称联合循环机组轴系的振动监测。

进一步，本发明在进行有限元响应分析时，提出了以轴系各轴承处两个主惯性轴方向的位移响应代替轴系整体位移响应为研究对象进行研究分析的方法，使得轴系响应分析对比更加方便快速。

进一步，本发明提出了以有限元理论分析计算结果指导实验布置测点进行轴系振动监测的方法，避免了布置测点的盲目性。

进一步，本发明在进行响应分析时进行了轴承刚度及轴承标高对响应的影响分析，建立了各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库，为实验测试结果提供对比数据，实现了非对称联合循环机组轴系的振动监测。

附图说明：

图1是基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法的总体流程图；

图2是非对称联合循环轴系振动监测实验系统。

图中：1-计算机；2-数据采集器；3-1号轴承支座；4-Y向电涡流传感器；5-X向电涡流传感器；6-非对称发电机转子；7-2号轴承支座；8-1号联轴器；9-3号轴承支座；10-高中压转子；11-4号轴承支座；12-2号联轴器；13-中间轴转子；14-5号轴承支座；15-3号联轴器；16-SSS离合器；17-4号联轴器；18-6号轴承支座；19-低压转子；20-7号轴承支座；21-5号联轴器；22-8号轴承支座；23-低压延伸轴；24-台座。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

1)参见图1，本发明旨在建立一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法，为非对称联合循环机组轴系振动监测奠定基础，基于此目的，设计了基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法的整体流程图。

2)收集非对称联合循环机组轴系的几何参数，包括各轴段半径及长度、各圆角位置及半径。根据几何参数进行三维建模得到非对称联合循环机组轴系的三维模型。非对称联合循环机组轴系由非对称发电机转子、高中压转子、中间轴转子、SSS离合器、低压转子以及低压延伸轴六部分依次连接构成，整个轴系共有8个轴承支承。

3)对步骤2)中得到的非对称联合循环机组轴系进行网格划分得到非对称联合循环机组轴系有限元模型，其中除SSS离合器部分采用四面体及四棱锥单元划分外，其余部分均采用8节点六面体单元划分。

4)对步骤3)中得到的非对称联合循环机组轴系有限元模型设置材料属性及边界条件，进行不平衡响应分析，得到不平衡响应分析结果。

401)对非对称联合循环机组轴系有限元模型设置材料属性，包括密度、弹性模量及泊松比。

402)对非对称联合循环机组轴系有限元模型设置边界条件：轴承处固定约束、低压转子最大直径轴段处施加不平衡力、离心力载荷。

403)在进行不平衡响应计算时，轴系弹性结构系统的振动微分方程为：

404)式中：[M]——结构整体的质量矩阵；[C]——结构整体的阻尼矩阵；[K]——结构整体的刚度矩阵；{δ}、和——结构整体各节点的位移向量、速度向量和加速度向量；{F}——结构整体的外载荷向量。

405)通过求解公式(1)，进行有限元分析后得到非对称联合循环机组轴系的不平衡响应振动特性{δ}。

5)根据步骤4)得到的非对称联合循环机组轴系不平衡响应分析结果，处理得到各轴承位置处两个惯性轴方向的响应曲线{δ₀}＝f(ω)，ω为轴系转速。

6)在常见轴承标高和刚度变化范围内，依次同时改变n(n＝1,2,…,8)个轴承的标高和刚度，得到8个轴承处的不平衡响应，记录得到各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库。

601)在非对称联合循环机组轴系有限元模型中，在常见轴承标高变化范围内，依次同时改变某n个轴承的标高，重复步骤3)中有限元计算，得到某n个轴承标高变化时8个轴承处的不平衡响应{δ₁}。

602)在非对称联合循环机组轴系有限元模型中，在常见轴承刚度变化范围内，依次同时改变某n个轴承的刚度，重复步骤3)中有限元计算，得到某n个轴刚度变化时8个轴承处的不平衡响应{δ₂}。

603)记录以上计算结果，建立各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库，作为步骤7)中实验结果的对比数据。

7)参见图2，对非对称联合循环机组轴系进行实验测定，分析有限元计算结果，在相应位置布置传感器进行振动监测。实验过程中通过检测各轴承振动响应变化规律，在数据库中寻找相应变化规律的工况，即可得到振动响应变化问题的产生原因，从而实现非对称联合循环机组轴系的振动监测。

图2介绍了非对称联合循环轴系振动试验台系统图。非对称发电机转子6、高中压转子10、中间轴转子13、SSS离合器16、低压转子19以及低压延伸轴23依次通过1号联轴器8、2号联轴器12、3号联轴器15、4号联轴器17以及5号联轴器21连接成联合循环机组轴系。联合循环机组轴系由1号轴承座3、2号轴承座7、3号轴承座9、4号轴承座11、5号轴承座14、6号轴承座18、7号轴承座20以及8号轴承座22支承。在对联合循环机组轴系进行振动监测时，可以沿轴系分别在X向布置X向电涡流传感器5，Y向布置Y向电涡流传感器4来监测相应转子沿X和Y向的振动情况。电涡流传感器的数量和位置根据有限元分析结果来确定和调整。电涡流传感器的数据经过数据采集器2进入计算机1中。所有的实验设备均布置在台座24上。

Claims (3)

1.一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)收集非对称联合循环机组轴系的几何参数，包括各轴段半径及长度、各圆角位置及半径；

2)根据几何参数进行三维建模得到非对称联合循环机组轴系的三维模型；其中，非对称联合循环机组轴系由非对称发电机转子、高中压转子、中间轴转子、SSS离合器、低压转子以及低压延伸轴六部分依次连接构成，整个轴系共有8个轴承支承；

3)对步骤2)中得到的非对称联合循环机组轴系进行网格划分得到非对称联合循环机组轴系有限元模型，其中除SSS离合器部分采用四面体及四棱锥单元划分外，其余部分均采用8节点六面体单元划分；

4)对步骤3)中得到的非对称联合循环机组轴系有限元模型设置材料属性及边界条件，进行不平衡响应分析，得到不平衡响应分析结果；

5)根据步骤4)得到的非对称联合循环机组轴系不平衡响应分析结果，处理得到各轴承位置处两个惯性轴方向的响应曲线；

6)在常见轴承标高和刚度变化范围内，依次同时改变n个轴承的标高和刚度，得到8个轴承处的不平衡响应，记录得到各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库，其中，n＝1,2,…,8；

7)对非对称联合循环机组轴系进行实验测定，分析有限元计算结果，在相应位置布置传感器进行振动监测，实验过程中通过检测各轴承振动响应变化规律，在数据库中寻找相应变化规律的工况，即可得到振动响应变化问题的产生原因，从而实现非对称联合循环机组轴系的振动监测。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下实现步骤：

401)对非对称联合循环机组轴系有限元模型设置材料属性，包括密度、弹性模量及泊松比；

402)对非对称联合循环机组轴系有限元模型设置边界条件：轴承处固定约束、低压转子最大直径轴段处施加不平衡力、离心力载荷；

403)在进行不平衡响应计算时，轴系弹性结构系统的振动微分方程为：

<mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>M</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>{</mo> <mover> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>}</mo> <mo>+</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>C</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>{</mo> <mover> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>}</mo> <mo>+</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>K</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>{</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>}</mo> <mo>=</mo> <mo>{</mo> <mi>F</mi> <mo>}</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

404)式中：[M]——结构整体的质量矩阵；[C]——结构整体的阻尼矩阵；[K]——结构整体的刚度矩阵；{δ}、和——结构整体各节点的位移向量、速度向量和加速度向量；{F}——结构整体的外载荷向量；

405)通过求解公式(1)，进行有限元分析后得到非对称联合循环机组轴系的不平衡响应振动特性{δ}。

3.根据权利要求2所述的一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法，其特征在于，步骤6)具体包括以下实现步骤：

601)在非对称联合循环机组轴系有限元模型中，在常见轴承标高变化范围内，依次同时改变某n个轴承的标高，重复步骤3)中有限元计算，得到某n个轴承标高变化时8个轴承处的不平衡响应{δ₁}；

602)在非对称联合循环机组轴系有限元模型中，在常见轴承刚度变化范围内，依次同时改变某n个轴承的刚度，重复步骤3)中有限元计算，得到某n个轴刚度变化时8个轴承处的不平衡响应{δ₂}；

603)记录以上计算结果，建立各轴承响应随某n个轴承标高及刚度变化的数据库，作为步骤7)中实验结果的对比数据。