CN109033488B - 一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，包括：建立水轮发电机有限元模型和抽水蓄能机组全流道水体模型，分别进行瞬态电磁场仿真和瞬态流场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布；将定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布转化为瞬态激励，将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线；对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。本发明获得精度更高且更加贴近工程实际的寿命分析结果。

Description

一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法

技术领域

本发明属于抽水蓄能电站的多场耦合仿真与寿命分析技术领域，更具体地，涉及一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法。

背景技术

随着发电机组容量和尺寸的逐步增大，水头和比转速的提高，机组振动和疲劳寿命问题也越来越突出，对水轮发电机组主轴等系统的全面分析也越来越迫切。抽水蓄能电站水轮发电机组振动与疲劳问题是复杂的水-机-电耦合问题，机组振动受机械系统、电力系统、水力系统共同作用，且各系统之间动态特性相互影响，并最终影响各部件的疲劳寿命。

现阶段对抽水蓄能电站机组的结构性能研究主要集中在主轴部分，基本方法是建立机组轴系的动力学模型，研究轴系的不平衡响应与平衡技术为机组动力学分析与设计提供理论参考依据。但对抽水蓄能机组整体的机构的研究较少，同时对各零部件的疲劳寿命分析尚处于研究初级阶段。现有针对机组轴系零部件疲劳寿命仿真多是以试验测定应力值或理论计算应力值为激励进行轴系寿命分析。其中试验测定法往往受制于条件限制难以实现，而理论计算应力法精度较差且无法考虑实际工况中多场相互耦合的工况，难以贴合工程实际。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，由此解决现有技术存在受制于条件限制难以实现试验测定、理论计算应力法精度较差且无法考虑实际工况中多场相互耦合的工况，难以贴合工程实际的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，包括：

(1)建立水轮发电机有限元模型，对水轮发电机有限元模型进行瞬态电磁场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度；建立抽水蓄能机组全流道水体模型，对抽水蓄能机组全流道水体模型进行瞬态流场仿真，得到全流道流场内部压力分布与速度分布；

(2)建立抽水蓄能电站轴系有限元模型，将定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布转化为瞬态激励，将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线；

(3)对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。

进一步地，步骤(1)包括：

(1-1)利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和运行参数建立水轮发电机有限元模型，在水轮发电机有限元模型的转子部分建立圆形band计算域，将水轮发电机有限元模型的定子外测边界设置为Vector Potential边界，设置水轮发电机有限元模型的转子线圈为额定励磁电流激励，以水轮发电机有限元模型的定子外径为圆形band计算域的边界，对水轮发电机有限元模型进行瞬态电磁场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度；

(1-2)利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和水力参数建立各过流部件的三维几何模型，通过布尔运算构造各过流部件的流体域模型，结合各过流部件的三维几何模型和流体域模型，得到各过流部件的水体模型，将各过流部件的水体模型组合成抽水蓄能机组全流道水体模型；

(1-3)对抽水蓄能机组全流道水体模型进行网格划分后进行瞬态流场仿真，得到全流道流场内部压力分布与速度分布。

进一步地，步骤(2)包括：

(2-1)建立抽水蓄能电站轴系有限元模型，设置轴系约束，对抽水蓄能电站轴系整体进行模态分析，获得轴系各阶振型及固有频率，根据定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布进行瞬态分析，得到额定工况下轴系的瞬态激励；

(2-2)将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线。

进一步地，轴系约束包括：

将轴连接体的上下端面作固定端处理，在机组轴系导轴承处采用平面上共节点互相垂直的两对接地弹簧单元来模拟，并赋予机组轴系导轴承横向等效刚度值；在机组轴系推力轴承处用接地弹簧单元赋予机组轴系推力轴承对应的扭转等效刚度值和纵向等效刚度值。

进一步地，瞬态分析包括：

利用定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布，得到水泵水轮机在额定工况下受到的驱动力矩与阻尼力矩，将驱动力矩与阻尼力矩加载到抽水蓄能电站轴系有限元模型，并进行瞬态分析，得到额定工况下轴系的应力与应变的分布与大小，作为瞬态激励。

进一步地，步骤(3)包括：

对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱选择平均应力修正准则修正平均应力，设置比例系数和强度因子，进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。

进一步地，统计分析包括：

根据应力变化曲线，对应力与时间的历程关系排列顺序，得到应力-应变迟滞回线，将应力-应变迟滞回线作为一个封闭的雨流迹线，雨流的起始位置是每个波谷的谷值或波峰的峰值内侧；雨流从每个波峰或波谷的内侧往下流，在下一个波峰或波谷位置上落下，当对面出现波谷的谷值遇到更低的谷值时停止，同理对面的峰值遇到更大的峰值时停止；在整个雨流流动过程中，遇到从上面屋顶流下来的雨流时，一个雨流循环停止；一个封闭的雨流迹线构成一个全循环，记录每个全循环的幅值和均值，得到载荷谱。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明对水轮发电机有限元模型、抽水蓄能机组全流道水体模型和抽水蓄能电站轴系有限元模型进行仿真分析，充分考虑了水轮发电机组流场、电磁场与结构场共同影响，获得精度更高且更加贴近工程实际的寿命分析结果。

(2)与现有方法相比，本发明方法突破了以往分析某单一场量作用力或将作用力简化的局限，更加全面的求解出水轮发电机组在工作过程及其他过渡过程中，水-机-电多物理场共同作用下产生的载荷，并且根据仿真计算结果，进而计算出机组各部分应力应变分布及变化规律，最终更为精确的求出机组结构疲劳寿命结果，对水电站安全稳定运行与日常维护检修起到了重要的作用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的水轮发电机有限元模型的网格划分图；

图3是本发明实施例提供的定子绕组外接电路图；

图4是本发明实施例提供的定转子气隙间的电磁场分布云图；

图5是本发明实施例提供的发电机气隙径向磁通密度；

图6是本发明实施例提供的定转子气隙间的电磁力密度；

图7是本发明实施例提供的水泵水轮机组流体仿真流程图；

图8是本发明实施例提供的抽水蓄能电站轴系有限元模型；

图9是本发明实施例提供的抽水蓄能发电机组主轴系统应力分布图；

图10是本发明实施例提供的抽水蓄能发电机组主轴系统应变分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，其特征在于，包括：

(1)建立水轮发电机有限元模型，对水轮发电机有限元模型进行瞬态电磁场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度；建立抽水蓄能机组全流道水体模型，对抽水蓄能机组全流道水体模型进行瞬态流场仿真，得到全流道流场内部压力分布与速度分布；

(2)建立抽水蓄能电站轴系有限元模型，将定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布转化为瞬态激励，将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线；

(3)对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。

本发明实施例优选地，步骤(1)包括：

(1-1)利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和运行参数建立水轮发电机有限元模型，在水轮发电机有限元模型的转子部分建立圆形band计算域，并设置绕Z轴以500r/min的转速旋转。将水轮发电机有限元模型的定子外测边界设置为Vector Potential边界，忽略发电机外部漏磁的影响，将电磁场限制在发电电动机内部。

如图2所示，对水轮发电机有限元模型进行计算域网格划分，并对定转子端部及气隙处进行加密设置，以提高仿真精度。

本发明中利用外接电路施加机组定子绕组激励如图3所示。图中LPhaseA、LPhaseB、LPhaseC分别为定子三相绕组。LA、LB、LC为电感元件，RA、RB、RC为电阻原件，他们分别用来模拟发电过程中水轮发电机定子绕组自身产生的微弱电感和电阻。图3中各相绕组中的电阻R1-R3用来模拟发电机负载，空载工况下负载电阻无穷大。

设置水轮发电机有限元模型的转子线圈为额定励磁电流激励，以水轮发电机有限元模型的定子外径为圆形band计算域的边界，然后进行瞬态电磁场仿真，得到如图4所示的水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布、如图5所示的发电机气隙径向磁通密度和如图6所示的电磁力密度。从图4中可以明显看出电机组内部磁场分布情况。发电机组转子磁极和定子齿端磁感应强度最高，在额定负载工况下出现局部饱和，发电机组定转子磁轭底部磁感应强度最小。从图5和6中可以看出磁感应强度呈近似周期性分布，磁极顶部磁感应强度最大，且表面曲线端部受定子齿槽影响有部分毛刺。

研究采用瞬态电磁场仿真求解电磁场分布。根据上述边界条件及激励设置，可以把空载和额定负载工况下运行的水轮发电机看作一个二维的非线性恒定场。以水轮发电机定子外径为计算域边界，则该二维磁场中电枢磁场矢量A和电流密度J的关系表达式如式1所示

式中：v是发电机材料磁阻；

是电机矢量磁位，其中

是Z方向上的单位向量，X和Y是以Z为旋转轴的径向截面上笛卡尔坐标系的坐标；J是电流密度矢量；σ是计算域内部材料的电导率。

为在这个非线性和时间依赖的方程中需要考虑时间步长的离散化。

(1-2)如图7所示，利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和水力参数建立各过流部件的三维几何模型，所述过流部件包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管。通过布尔运算构造各过流部件的流体域模型，结合各过流部件的三维几何模型和流体域模型，得到各过流部件的水体模型，将各过流部件的水体模型组合成抽水蓄能机组全流道水体模型；

(1-3)先对抽水蓄能机组全流道水体模型中的蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管进行网格划分，然后对固定导叶和活动导叶进行网格加密处理，得到全流道网格模型；

采用基于压力的求解器与RNG k-ε湍流模型，将活动导叶设置为刚体，将水泵额定工况作为初始时刻，将蜗壳直管段断面设置为压力出口，将尾水管直管段断面设置为压力入口，然后设置监测点进行水泵额定工况瞬态仿真计算，得到全流道流场内部压力分布与速度分布。

本发明实施例优选地，步骤(2)包括：

(2-1)如图8所示，将发电机转子、发电机主轴、水轮机主轴、水轮机转轮和发电机轴承组成抽水蓄能电站轴系物理模型，利用抽水蓄能电站轴系物理模型建立抽水蓄能电站轴系有限元模型，对发电机转子、发电机主轴和水轮机主轴采用结构化网格进行划分，对水轮机转轮和发电机轴承采用非结构化网格进行划分。设置轴系约束，对抽水蓄能电站轴系整体进行模态分析，获得轴系各阶振型及固有频率，根据定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布进行瞬态分析，得到额定工况下轴系的瞬态激励；

(2-2)将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线。图9展示了抽水蓄能发电机组主轴系统应力分布图；图10展示了抽水蓄能发电机组主轴系统应变分布图。

轴系约束包括：将轴连接体的上下端面作固定端处理，在机组轴系导轴承处采用平面上共节点互相垂直的两对接地弹簧单元来模拟，并赋予机组轴系导轴承横向等效刚度值；在机组轴系推力轴承处用接地弹簧单元赋予机组轴系推力轴承对应的扭转等效刚度值和纵向等效刚度值。

模态分析包括：对于多自由度系统或者经过离散化成为多自由度系统的弹性体，将所有自由度对应的位移用列向量表示，抽水蓄能电站轴系整体系统运动可用式一所示的微分方程组进行描述。

式中：[M]为系统质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为系统刚度矩阵；

分别为系统节点位移(m)、速度(m/s)和加速度(m/s²)；{f(t)}表示作用在系统相应节点上的外载荷向量(N)。运用ANSYS软件中相关模块的分析，最终获得轴系各阶振型及固有频率，作为轴系振动的校验，并为瞬态动力学仿真提供数据。

瞬态分析包括：利用定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布，得到水泵水轮机在额定工况下受到的驱动力矩与阻尼力矩，将驱动力矩与阻尼力矩加载到抽水蓄能电站轴系有限元模型，并进行瞬态分析，得到额定工况下轴系的应力与应变的分布与大小，作为瞬态激励。

本发明实施例优选地，所述步骤(3)包括：

对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱选择平均应力修正准则修正平均应力，设置比例系数和强度因子，进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。

所述平均应力修正准则包括：

Goodman理论：

Gerber理论：

Sorderberg理论：

式中，σ_a表示应力幅；σ_m表示平均应力；σ_-1表示应力比R＝-1时的疲劳极限；σ_s表示屈服强度；σ_b表示抗拉强度。

统计分析包括：根据应力变化曲线，对应力与时间的历程关系排列顺序，得到应力-应变迟滞回线，将应力-应变迟滞回线作为一个封闭的雨流迹线，雨流的起始位置是每个波谷的谷值或波峰的峰值内侧；雨流从每个波峰或波谷的内侧往下流，在下一个波峰或波谷位置上落下，当对面出现波谷的谷值遇到更低的谷值时停止，同理对面的峰值遇到更大的峰值时停止；在整个雨流流动过程中，遇到从上面屋顶流下来的雨流时，一个雨流循环停止；一个封闭的雨流迹线构成一个全循环，记录每个全循环的幅值和均值，得到载荷谱。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，其特征在于，包括：

(1)建立水轮发电机有限元模型，对水轮发电机有限元模型进行瞬态电磁场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度；建立抽水蓄能机组全流道水体模型，对抽水蓄能机组全流道水体模型进行瞬态流场仿真，得到全流道流场内部压力分布与速度分布；

(2)建立抽水蓄能电站轴系有限元模型，将定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布转化为瞬态激励，将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线；

(3)对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命；

所述步骤(1)包括：

(1-1)利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和运行参数建立水轮发电机有限元模型，在水轮发电机有限元模型的转子部分建立圆形band计算域，将水轮发电机有限元模型的定子外测边界设置为Vector Potential边界，设置水轮发电机有限元模型的转子线圈为额定励磁电流激励，以水轮发电机有限元模型的定子外径为圆形band计算域的边界，对水轮发电机有限元模型进行瞬态电磁场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度；

(1-2)利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和水力参数建立各过流部件的三维几何模型，通过布尔运算构造各过流部件的流体域模型，结合各过流部件的三维几何模型和流体域模型，得到各过流部件的水体模型，将各过流部件的水体模型组合成抽水蓄能机组全流道水体模型；

(1-3)对抽水蓄能机组全流道水体模型进行网格划分后进行瞬态流场仿真，得到全流道流场内部压力分布与速度分布。

2.如权利要求1所述的一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

(2-1)建立抽水蓄能电站轴系有限元模型，设置轴系约束，对抽水蓄能电站轴系整体进行模态分析，获得轴系各阶振型及固有频率，根据定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布进行瞬态分析，得到额定工况下轴系的瞬态激励；

(2-2)将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线。

3.如权利要求2所述的一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，其特征在于，所述轴系约束包括：

将轴连接体的上下端面作固定端处理，在机组轴系导轴承处采用平面上共节点互相垂直的两对接地弹簧单元来模拟，并赋予机组轴系导轴承横向等效刚度值；在机组轴系推力轴承处用接地弹簧单元赋予机组轴系推力轴承对应的扭转等效刚度值和纵向等效刚度值。

4.如权利要求2所述的一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，其特征在于，所述瞬态分析包括：

利用定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布，得到水泵水轮机在额定工况下受到的驱动力矩与阻尼力矩，将驱动力矩与阻尼力矩加载到抽水蓄能电站轴系有限元模型，并进行瞬态分析，得到额定工况下轴系的应力与应变的分布与大小，作为瞬态激励。

5.如权利要求1或2所述的一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：

对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱选择平均应力修正准则修正平均应力，设置比例系数和强度因子，进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。

6.如权利要求5所述的一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，其特征在于，所述统计分析包括：

根据应力变化曲线，对应力与时间的历程关系排列顺序，得到应力-应变迟滞回线，将应力-应变迟滞回线作为一个封闭的雨流迹线，雨流的起始位置是每个波谷的谷值或波峰的峰值内侧；雨流从每个波峰或波谷的内侧往下流，在下一个波峰或波谷位置上落下，当对面出现波谷的谷值遇到更低的谷值时停止，同理对面的峰值遇到更大的峰值时停止；在整个雨流流动过程中，遇到从上面屋顶流下来的雨流时，一个雨流循环停止；一个封闭的雨流迹线构成一个全循环，记录每个全循环的幅值和均值，得到载荷谱。

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