水电机组轴系动力学建模与振动故障机理研究

Vibration is one of the most important factors affecting the safety and stable operation of hydro-turbine generator units. Excessive vibration can cause fatigue damage to the unit equipment and shorten the life of units, and may even lead to a serious damage accident, resulting in significant economic losses. With the continuous improvement in water head and single-machine capacity, vibration problems of the hydro-turbine generator units are increasingly prominent and have become key issues to be solved in the hydropower industry. The project intends to establish a dynamic model of the shaft system of hydro-turbine generator units by using the rotordynamics modeling theory and numerical simulation technology. Comparing the simulation results with real unit vibration test results, efforts are devoted to the illustration of the vibration failure mechanism of hydro-turbine generator units and the diagnosis of the vibration failures. The specific contents including：(1) The establishment and updating of a practical vibration model of hydro-turbine generator units;(2) Illustration of the vibration failure mechanism based on the comparative analysis of simulation and vibration test results; (3) Investigation of the model based technology of the vibration failure diagnosis. The research results of this project should be of great significance and research value for the illustration of the mechanism of vibration failure, the diagnosis of vibration failure and the implementation of condition based maintenance technology.

振动是影响水电机组安全、稳定运行的最重要因素之一。过大的振动会缩短机组设备的使用寿命，甚至可能引发严重的机组毁坏事故，造成重大的经济损失。随着水电机组单机装机容量和水头的不断提高，机组的振动问题日益突出，已经成为亟待解决的重要课题之一。本项目拟利用转子动力学等建模理论与数值仿真技术，建立水电机组轴系动力学模型。将仿真结果和真实机组的振动试验结果进行对比分析，展开致力于水电机组振动故障机理的阐明以及诊断的研究。具体的研究内容包括：（1）水电机组实用振动仿真模型的建立与修正；（2）基于仿真结果和振动试验数据对比分析的振动故障机理探讨；（3）展开基于仿真模型的振动故障诊断技术研究。研究成果对于振动故障机理的阐明、振动故障的诊断以及状态检修技术的实现都具有重要的意义和研究价值。

随着建模理论与仿真技术的不断发展，建立合理描述真实水电机组动力学特性的仿真模型已具备一定的研究基础。而一个能准确反映机组轴系动力特性的仿真模型对于有效地探究机组振动故障机理知识、实现有效的振动故障诊断以及状态检修技术具有重要的意义。在此研究背景及工程实际需求下，本项目致力于建立水电机组实用、可行的轴系动力学仿真模型。结合实际机组的振动试验结果，展开水电机组振动故障机理探索研究以及基于仿真模型的振动故障诊断技术研究。.针对水电机组的动力学特点，综合考虑流固耦合、磁固耦合等边界条件及外部激励的合理准确描述与模型计算量之间的关系，建立了能够考虑轴承非线性特性、转速、励磁及负荷等工况影响因素、准确而实用的仿真分析系统。同时，仿真分析系统具有一定的通用性，能够适应水电机组动力学个性较强的特点。利用变分模态分解方法（VMD）研究机组的变工况过程中的振动试验数据，提取机组在过渡过程中的振动特征量，从实测数据中挖掘信息，发现振动故障特性知识。利用ANSYS Fluent软件研究机组负荷变化、水轮机流道出现异常等水力相关因素引起的激励力。再利用水电机组振动仿真系统，开展水力因素引起的机组振动特性仿真分析研究，通过对比分析及互相验证的方法，从实测数据分析和仿真试验数据分析中发现振动故障机理知识。.根据研究的思路及已取得的成果，我们认为建立水电机组实用的振动仿真分析系统是可行的。虽然影响分析系统精确性的因素较多，但在分析系统框架下，不断优化各影响因素的分析计算，使分析系统不断的完善，最终能够达到工程实用的程度。这样的振动仿真分析系统有助于探索振动故障机理知识，提高故障诊断效率，对水电机组维护与检修的自动化与智能化发展具有重要的价值。