水轮发电机组轴系辨识及振动研究

发布时间：2018-02-03 12:21

本文关键词： 水轮发电机组轴系 Volterra系统盲辨识高阶累积量混合遗传算法剪切效应随机激励动力响应　出处：《昆明理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水轮发电机组是水电站起能量转换作用的核心部分,其轴系的振动直接影响机组的安全运行和水电站的整体性能。因此,对于水电站水轮发电机组轴系振动及盲辨识的研究具有重要的工程实用价值。本文依托国家自然科学基金重点项目(50839003)、国家自然科学基金项目(51279071)、高等学校博士学科点专项科研基金(20135314130002),以水轮发电机组轴系为研究对象,对其进行振动及盲辨识方面的研究,以期对水轮发电机组轴系的动力分析提供理论支持和数据参考。本文的主要研究内容可归纳如下：(1)用有限元法分析了不同因素对水轮发电机组轴系振动特性的影响规律。提出了两种高次单元。通过转子动力学建立了水轮发电机组轴系振动的非线性模型,考虑了陀螺效应、剪切效应的影响以及水轮发电机组轴系的特点。基于有限元理论,提出了用于轴系振动计算的三结点弹性轴段单元NODE3和考虑剪切效应的三结点单元NODE3shear,得出了单元的运动方程和水轮发电机组轴系的运动方程。通过考例验证了两个单元的正确性,并将其应用于某水轮发电机组轴系的计算中。得到了陀螺效应、不同转速、不同刚度对轴系振动涡动频率、临界转速和计算精度的影响规律。计算结果表明,对水轮发电机组轴系而言,剪切变形对于轴系振动的自振频率和临界转速均有一定的影响：当轴的刚度较大时,必须考虑剪切效应,否则会带来较大误差。(2)提出了Volterra系统时域核参数的盲辨识方法和混合遗传算法,实现了基于三阶累积量的水轮发电机组轴系盲辨识。为了解决水轮发电机组轴系模型不易精确建立的问题,引入二阶Volterra系统对其进行描述,以水轮机转轮上的水力激励作为系统的输入信号,观测到的水导轴承处的横向摆度作为系统的输出信号,建立了轴系的Volterra模型。为辨识该模型,将标准遗传算法(SGA)与传统的直接搜索法相结合,提出了系统时域核参数辨识的新方法——混合遗传算法(HGA),研发了相应的计算程序。通过三个数值试验考核表明,HGA比SGA和传统搜索方法更高效、更稳定。针对水轮发电机组轴系水力激励的输入信号不可测得的难题,引入了基于三阶累积量的盲辨识方法。其中,在计算输出信号的三阶累积量(三阶矩)而需要确定大量系数时,提出了计算机循环判断法,编写了相应的计算程序。利用三个数值试验,分别使用Hammerstein模型和Volterra模型,考查了不同的信噪比、不同记忆长度、不同采样长度的影响,证明了盲辨识方法具有很高的计算效率和很强的普适性。最后对于水轮发电机组轴系的时域核进行了盲辨识,考虑了不同工况,得到了该水轮发电机组轴系的时域核参数。为解决水力激励难以表达的问题,根据辨识出的时域核参数及观测(输出)信号,提出了反向递推方法,来近似求出系统的输入信号,并用数值试验证明了反向递推法的可行性。经过验证,反向递推求出的输入信号可以近似作为系统的随机激励施加于水轮发电机组轴系的转轮上,以此作为轴系动力学分析中的水力激励。(3)分析了水轮发电机组轴系在复杂作用下的动力响应。建立了水轮发电机组轴系的计算模型,考虑了随机水力激励、非线性油膜力、机械不平衡力、不平衡磁拉力等的作用,推导了轴系的动力学方程,根据求解结果分析了轴系转速、质量偏心、励磁电流以及随机水力激励大小等机械、电磁、水力参数对于轴系动力响应的影响。结果发现,水轮机转轮上作用的随机水力激励(零均值、独立同分布信号)对于上导轴承、发电机转子影响甚微,对于下导轴承有一定影响,对于水导轴承和水轮机转轮影响较大,且随着随机激励的加强,此影响也随之变大。(4)对某水电站4#机组轴系进行了原型观测和数据处理。介绍了某水电站的水轮发电机组轴系。对于观测数据进行了分析绘图,并对这些观测数据进行了滤波处理,以便进行系统盲辨识。进一步地,将辨识得到的输出数据与实际机组运行中的振动情况作比较,以检验辨识系统的准确性、辨识方法的可靠性、以及反向递推求解水力激励方法的可行性。
[Abstract]:Based on the finite element theory , the influence of different factors on the vibration characteristics of the shaft system of hydro - generator sets is studied . The results show that the shear deformation has some influence on the self - vibration frequency and critical speed of the shaft system of the hydro - generator set . The results show that the shear deformation has some influence on the self - vibration frequency and critical speed of the shafting vibration . A blind identification method based on three - order cumulant is introduced in this paper , which is based on three - order cumulant . ( 3 ) The dynamic response of the shaft system of turbine generator set is analyzed . The calculation model of shaft system of turbine generator set is established . The influence of random hydraulic excitation , nonlinear oil film force , mechanical unbalance force and unbalanced magnetic pull force is established .

【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM312

【参考文献】