透平机械转子轴系振动故障特性分析及靶向抑制研究

发布时间：2017-08-14 16:13

  本文关键词：透平机械转子轴系振动故障特性分析及靶向抑制研究

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【摘要】：汽轮发电机组、透平压缩机组、燃气轮机等大型透平机械是支撑国家经济命脉的电力、冶金、石化、航空等行业的关键设备。随着透平机械结构的大型化、复杂化,运行工况愈加苛刻,振动问题频频发生,且振动频率成分愈加复杂和多样化,给振动故障的诊断及抑制带来了巨大困难。如不及时有效抑制透平机械系统的振动,随着时间推移和生产的进行,振动状态会进一步恶化最终导致停车事故,给企业造成巨大的经济损失。如N+1支撑轴系的超超临界汽轮发电机组,该型机组的汽轮机轴系部分的四根转子由五个轴承支承,每根转子都成为了相邻转子的外伸端,转子间振动耦合、相互影响大,给机组现场动平衡和轴系振动故障诊断及抑制带来了非常大的困难。因此,本文以机器故障自愈论为指导,开展了N+1支撑的转子轴系不平衡、轴承座支撑刚度下降等故障特性,以及转子-轴承系统振动靶向抑制的理论与实验研究,为透平机械系统转子轴系的现场故障诊断及振动主动抑制提供理论和方法支撑。论文的主要工作如下：(1)介绍了透平机械动力学系统建模的相关理论及方法,综述了国内外学者在透平机械转子动力学、振动故障特性分析及主动控制方面的研究现状和发展趋势。(2)以N+1支撑结构的转子轴系系统为研究对象,建立了两转子-三支承系统有限元模型,计算了该模型的临界转速及模态振型,分析了两转子-三支承系统的不平衡响应特性。采用商用软件,完成了百万千超超临界汽轮发电机组N+1支撑轴系的有限元动力学建模,对该种轴系的动力学特性及不平衡、轴承座支撑刚度下降等振动故障进行了仿真分析,揭示了该轴系轴向不同位置不平衡激起的轴系振动响应特性及转子间的相互作用规律,以及轴承座支撑刚度下降对轴系振动的影响规律。(3)阐述了透平机械系统振动故障靶向抑制。借鉴当代医学的基因靶向技术,论述了透平机械振动故障靶向抑制,并从能量流、信息流和物质流三个层面,对透平机械振动故障靶点进行了描述,为实现透平机械振动故障的靶向抑制提供了理论基础。(4)以12磁极电磁给力器为对象,采用理论推导和实验验证的方式研究了电磁给力器电磁力的特性,分别建立了虑及磁场损失和转子振动位移的电磁给力器电磁力的计算模型,并对两种电磁力计算模型中参数进行了识别,给出了电磁力和气隙/电流的表达式。考虑了磁场损失和几何结构变形等影响因素,推导了虑及磁损、铁损及铜损的电磁给力器电磁力与气隙/电流的计算公式；考虑设备运行中因振动引起转子偏心的因素,推导了基于转子振动位移的电磁给力器的电磁力计算公式,并应用最小二乘法对公式中的参数进行了识别；在此基础上,搭建了电磁给力器电磁力实验装置,进行了实验研究,实验结果表明两种电磁力公式的计算值与实验测量值基本相符。(5)以透平机械振动故障靶向抑制为指导,针对透平机械转子-轴承系统的不平衡及多频振动故障,开展了转子-轴承系统振动故障的主动抑制研究。提出了一种基于比例-微分(PD)反馈的转子-轴承系统不平衡振动故障快速、无超调靶向抑制方法。采用PD反馈对转子施加电磁力,改变转子-轴承系统的刚度和阻尼,实现对转子-轴承系统的不平衡振动主动抑制。基于前馈控制原理,提出一种转子-轴承系统多频振动的靶向抑制方法。该方法采用电磁给力器产生具有与转子振动频率相匹配的多频旋转电磁抑制力作用到转子上,将整周寻优及快速寻优两种寻优策略应用到电磁给力器控制电流的多个频率成分的参数寻优上,以获取控制信号参数,使施加的多个频率成分的电磁力能够削减转子的多频振动幅值,实现转子系统多频振动的主动抑制。并搭建实验装置进行实验研究,结果表明所提出的方法能够实现透平机械不平衡振动故障及多频振动故障的实时靶向抑制,效果明显,为解决透平机械系统转子的现场振动问题提供了新的方法和解决措施。
【关键词】：透平机械 靶向抑制 振动故障 多倍频振动 N+1支撑轴系
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK14;TH165.3
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-13
• 符号说明13-24
• 第一章 绪论24-38
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义24-26
• 1.2 透平机械动力学及振动故障机理研究26-28
• 1.2.1 透平机械转子动力学发展现状26-27
• 1.2.2 透平机械动力学特性及振动故障机理研究现状27-28
• 1.3 透平机械转子轴系的振动主动控制研究现状28-35
• 1.3.1 透平机械振动控制28-31
• 1.3.2 透平机械转子系统不平衡振动主动控制31-34
• 1.3.3 透平机械转子系统多频振动故障主动控制34-35
• 1.4 论文主要研究内容和组织结构35-36
• 1.4.1 论文研究内容35
• 1.4.2 论文组织结构35-36
• 1.5 论文的创新点36-38
• 第二章 透平机械N+1支撑轴系振动故障特性分析38-93
• 2.1 引言38
• 2.2 旋转机械动力学系统建模38-47
• 2.2.1 单转子-轴承系统建模38-40
• 2.2.2 转子-轴承系统的有限元建模方法40-47
• 2.3 两转子-三支承轴系动力学特性分析47-53
• 2.3.1 两转子-三支承轴系系统模型47
• 2.3.2 两转子-三支承系统的临界转速分析47-49
• 2.3.3 两转子-三支承系统不平衡响应分析49-53
• 2.4 N+1支撑轴系的超超临界汽轮发电机组振动故障特性分析53-91
• 2.4.1 机组轴系结构介绍53-55
• 2.4.2 超超临界汽轮发电机组N+1转子轴系模型55
• 2.4.3 机组轴系临界转速及振型55-58
• 2.4.4 机组轴系轴向不同位置失衡振动故障响应分析58-75
• 2.4.5 支撑刚度下降故障对轴系振动的影响分析75-91
• 2.5 本章小结91-93
• 第三章 透平机械故障靶向抑制及电磁给力器特性分析93-114
• 3.1 引言93-94
• 3.2 透平机械振动故障靶向抑制94-97
• 3.2.1 透平机械系统振动故障靶向抑制的提出94-95
• 3.2.2 透平机械系统振动靶向抑制95-96
• 3.2.3 透平机械振动故障靶点的描述96-97
• 3.3 虑及磁损、铁损及铜损的电磁给力器电磁力计算模型及参数识别97-102
• 3.3.1 U型电磁铁电磁力计算模型97-99
• 3.3.2 虑及磁损、铁损及铜损的电磁给力器电磁力计算模型99-101
• 3.3.3 基于实验装置的电磁力的计算模型101-102
• 3.4 基于转子振动位移的电磁给力器电磁力计算模型及参数识别102-106
• 3.4.1 基于转子振动位移的电磁给力器电磁力计算模型102-105
• 3.4.2 基于实验装置的电磁给力器单自由度电磁力计算的模型105-106
• 3.4.3 基于最小二乘法的参数识别106
• 3.5 实验研究106-112
• 3.5.1 实验装置介绍106-109
• 3.5.2 虑及磁损、铁损及铜损的电磁给力器电磁力特性实验研究109-110
• 3.5.3 基于转子振动位移的电磁给力器电磁力特性实验研究110-112
• 3.6 本章小结112-114
• 第四章 转子-轴承系统振动故障靶向抑制方法及实验研究114-140
• 4.1 引言114
• 4.2 转子-轴承系统动力学建模114-116
• 4.2.1 轴段、圆盘及轴承单元运动方程115
• 4.2.2 电磁给力器转子单元运动方程115-116
• 4.2.3 系统运动方程116
• 4.3 基于电磁力的转子-轴承系统不平衡振动靶向抑制116-117
• 4.4 基于电磁力的转子-轴承系统多频振动故障靶向抑制117-127
• 4.4.1 转子-轴承系统多频振动多靶点靶向抑制方法117-120
• 4.4.2 控制参数的寻优策略120-127
• 4.5 实验研究127-139
• 4.5.1 实验装置简介127-128
• 4.5.2 基于电磁力的不平衡振动故障靶向抑制实验研究128-131
• 4.5.3 基于电磁力的多频振动故障靶向抑制实验研究131-139
• 4.6 本章小结139-140
• 第五章 结论与展望140-142
• 5.1 论文研究总结140-141
• 5.2 研究展望141-142
• 参考文献142-150
• 致谢150-151
• 研究成果及发表的学术论文151-152
• 在读期间参与的科研项目152-153
• 导师简介153
• 作者简介153-154
• 附件154-155

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本文编号：673529