一种水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法
【专利摘要】本发明涉及一种水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法，属于水轮发电机组稳定性分析和控制领域。将作用在轴系上的外力作为附加输入控制项，以增加通用性，得到模型中保留了反映暂态过程中角速度变化的角加速度项；利用机组运动方程中的水轮机力矩和发电机力矩项，将其它子系统模型引入轴系振动模型中，实现轴系振动模型与机组其它子系统的连接；将轴系模型转化为一阶微分方程组，并与机组运动方程结合，构成轴系暂态振动计算方程组，完成模拟。本发明是研究机组在各种暂态扰动，尤其是大扰动下的振动特性，为机组轴系的安全、稳定性设计与控制提供一种研究方法和手段。
【专利说明】一种水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法，具体地说是在分析机组稳定和控制器设计中轴系振动暂态，属于水轮发电机组稳定性分析和控制领域。
【背景技术】
[0002]在水力机组轴系振动的理论建模中，通常沿主轴将发电机转子、轴承、水轮机转轮单元简化为等效元件，构造轴系基本结构的物理模型。采用发电机转子和水轮机转轮形心坐标分别建立发电机转子和水轮机转子两组运动微分方程，而轴承的支撑作用分解到这两组方程中构成基本模型。在此基础上，根据研究目的不同，将所涉及的影响因素转化为附加作用力加入相应的单元模型，与基本轴系模型联立后化为形式更为复杂的二阶微分方程组。例如:在研究发电机不平衡磁拉力的影响时，将磁拉力作为外力加在发电机转子方程中；考虑水轮机密封时，将密封力加到水轮机转轮运动方程中；考虑水流惯性和角动量影响时，将其归入转轮附加力；考虑多重耦合的振动问题也采用类似的思路进行处理。本质上看，这种处理方式等效于将系统化为无输入激励的自治系统，求解物理概念清晰。但是，这种微分方程模型不能给出附加作用力对轴系基本模型的影响和作用机理，而且这些模型通常只应用于水力机组稳态的研究，不能用于机组进行控制调节的暂态过程的分析。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法，研究机组在各种暂态扰动，尤其是大扰动下的振动特性，为机组轴系的安全、稳定性设计与控制提供一种研究方法和手段。
[0004]本发明的技术方案是:将水轮发电机组轴系按传统方式简化为两圆盘三支承结构，应用拉格朗日动力学理论建立包括角速度变化的轴系运动方程，其中作用于轴系上的其他外力作为附加的输入控制项，以增加模型的通用性。利用机组运动微分方程中输入控制项水轮机力矩和发电机力矩，实现与水轮机系统和发电机系统的连接，进而将机组控制单元引入轴系中实现轴系暂态计算。将轴系二阶模型转化为一阶微分方程组，与机组运动微分方程一起构造轴系暂态计算模型。具体包含以下步骤:
(I)建立水轮发电机组轴系振动模型:将水轮发电机组轴系按传统方式简化为两圆盘三支承结构，应用拉格朗日动力学理论建立包括角速度变化的轴系运动方程，将作用在轴系上的外力作为附加输入控制项，以增加通用性，水轮发电机组轴系结构如图1所示，B1'O,、B2'B?)、O2分别为上导轴承、发电机转子、下导轴承、水导轴承及水轮机转轮的几何形心，记！B1B2I=S, B1O1 I = IO1B2I=S^, B2B3I=^, IB3O21 =^r1Z2 分别是发电机转子、/K轮机转轮的径向位移(m)，r3、r4、r5分别是机组大轴在上导、下导、水导轴承处的径向位移，因此几何关_ 2(aΛ-b —ακ2 _ 2(b + c)rx + ar2 _ Icrl + (a + 2h)r2^ fii+2&+2c 4 (62+2^ + 2^ 5 a +'2b+ 2c ’
假设旋转部件为刚性，且忽略推力轴承及转轴质量对系统振动的影响，忽略轴的扭转，在上述假设下，水轮发电机组的总动能包括发电机转子和水轮机转轮的动能:
【权利要求】
1.一种水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法，其特征在于具体步骤包括: (1)将水轮发电机组轴系简化为两圆盘三支承结构，应用拉格朗日动力学理论建立包括角速度变化的轴系运动方程，其中作用于轴系上的其他外力作为附加的输入控制项，以增加模型的通用性，得到水轮发电机组轴系振动模型，模型中保留了反映暂态过程中角速度变化的角加速度I项； (2)引入机组运动方程，将机组其它子系统模型引入水轮发电机组轴系振动模型中，实现水轮发电机组轴系振动模型与机组其它子系统模型的连接，得到新的轴系振动模型； (3)将新的轴系模型转化为一阶微分方程组，再机组运动方程结合，构成轴系暂态振动模型:
2.根据权利要求1所述的水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法，其特征在于:所述作用在轴系上的外力为发电机转子上的附加外力和水轮机转轮上的附加外力，发电机转子上的附加外力包括不平衡磁拉力，水轮机转轮上的附加外力包括密封力，转轮叶片不均衡力。
3.根据权利要求1所述的水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法，其特征在于:所述机组运动方程为Mt-Mg,Mt是水轮机力矩，#g是发电机电磁力矩。
4.根据权利要求1所述的水轮发电机组轴系振动暂态的模拟方法，其特征在于:所述步骤(2)中的其他子系统模型包 括水轮机及发电机系统模型。
【文档编号】G06F17/50GK103605819SQ201310399330
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】曾云, 张立翔, 钱晶, 于凤荣, 张成立, 李泽, 王文全, 闫妍 申请人:昆明理工大学