专利名称：汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法
技术领域：
本发明涉及一种机械轴系扭振暂态响应实时计算方法，尤其是适用于电厂接入的 电网出现故障时的发电机组轴系扭振响应的实时计算。
背景技术：
当电网发生单相瞬态、单相永久、三相永久等故障时，发电机组轴系将产生扭转振 动，计算故障从开始到结束这一段时间内扭转振动造成的机组轴系疲劳寿命损伤是极为必 要的，而机组轴系的联轴器部位是最易发生疲劳破坏的位置，因此需要给出这一段时间内 轴系扭转振动响应，尤其是联轴器部位的扭矩。计算汽轮发电机组轴系扭转振动响应，目前广泛应用的有实验测试法(汽轮发电 机组扭振测试系统的研究，振动、测试与诊断，2000年第20卷第2期，134-138)和有限元软 件分析法(600MW汽轮发电机组轴系非线性动力学响应分析，热能动力工程，2005年第20卷 第2期，178-181)。实验测试法是根据轴系扭转动力特性来测试和监测扭振状态。扭转动 特性测试的目的是获取扭振动力参数，主要包括扭振固有频率、振型和阻尼系数等。扭振的 激励可以采用方式有并网、甩负荷、短路、重合闸等，这种人为实验方法能得到轴系扭转振 动响应的真实数据，但实验经济成本很高。有限元软件分析法是根据大型商用有限元软件 如ANSYS、ABAQUS等，建立机组轴系的三维实体模型，划分网格，施加一段时间内的激振力， 分析得到轴系扭转振动响应；这种方法受到模型规模和精度的影响，同时汽轮发电机组轴 系尺寸大、几何形状复杂，造成这种方法计算时间很长。因此，目前尚缺乏一种应用于在线实时测量、适用于检测装置，成本适当的、能快 速得到汽轮发电机组轴系扭转振动响应的适合工程计算的方法。
发明内容
本发明的技术解决问题提供一种以汽轮发电机组轴系多质量块模型为对象的扭 转振动暂态响应数值的实时计算方法，能够实现一段时间内每一瞬时联轴器部位扭矩的快 速计算。本发明的技术方案是汽轮发电机组轴系扭转振动暂态响应数值的实时计算方 法，其方法流程如下(1)将汽轮发电机组轴系分解为多个质量块，由各质量块的基本数据和各质量块 的激振力数据构成轴系扭转的自由振动方程和受迫振动方程；(2)由轴系扭转的自由振动方程求解轴系扭转振动的固有频率和固有振型，构成 振型矩阵；(3)将轴系扭转的受迫振动方程从实际坐标下变换到模态坐标下；(4)由模态坐标下的轴系扭转受迫振动方程求解轴系在模态坐标下的扭转振动响 应；(5)将轴系扭转振动响应从模态坐标下变换回实际坐标下，得到轴系扭转振动响
3应的真实数据。所述步骤(1)中的多个质量块分别代表汽轮发电机组各个转子。各质量块基本数 据为各质量块的转动惯量和扭转刚度。所述步骤⑴中的激振力数据为计算时间内每一瞬时各质量块上的作用力。自由 振动方程和受迫振动方程由牛顿第二定律推导得出。所述步骤O)中由轴系扭转的自由振动方程求解轴系扭转振动的固有频率和固 有振型，求解方法为复模态法。振型矩阵是由固有振型组成的高阶矩阵。所述步骤(3)中将轴系扭转受迫振动方程从实际坐标下变换到模态坐标下，方法 是利用振型矩阵进行矩阵线性变换。所述步骤中由模态坐标下的轴系扭转受迫振动方程求解轴系在模态坐标下 的扭转振动响应。轴系在模态坐标下的扭转振动响应，是指计算时间内每一瞬时各质量块 的位移和速度。所述步骤(5)中将轴系扭转振动响应从模态坐标下变换回实际坐标下，方法是利 用振型矩阵的逆矩阵进行矩阵线性变换。轴系扭转振动响应的真实数据，是指计算时间内 每一瞬时每两个质量块之间，即联轴器部位的扭矩。本发明与现有技术相比的有益效果是应用本发明不需对汽轮发电机组轴系的扭 转振动响应进行实际测试实验，避免了高额实验费用；另一方面，本发明是基于公理和通用 数值算法的纯数学计算过程，避免了使用有限元软件分析的三维建模、网格划分等过程，大 大缩短了计算时间(在CPU主频1. 8GHz,内存512MB计算机环境下测试，15000个瞬时计算 点花费时间约为5秒，每个计算点花费时间约为0. 35毫秒)。因此，本发明是一种低成本 的、能快速并且实时得到汽轮发电机组轴系扭转振动响应的工程计算方法。
图1为本发明所例四质量块模型。图2为本发明适用装置采集图。图3为本发明的方法流程图。
具体实施例方式如图3所示，本发明的方法流程如下(以四个质量块为例，见图1)1.建立四质量块系统的振动方程根据牛顿第二定律对四质量块系统进行运动分析，可以得到自由振动方程为m{X}+C{X}+K{X}= {θ}受迫振动方程为Μ{χ}+c{i}+κ{χ} = {Q(i)}对四质量块扭振系统，有
权利要求
1.基于模态的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，其特征在于步骤如下(1)将汽轮发电机组轴系分解为多个质量块，由各质量块的基本数据和各质量块的激 振力数据构成轴系扭转的自由振动方程和受迫振动方程；(2)由轴系扭转的自由振动方程求解轴系扭转振动的固有频率和固有振型，构成振型 矩阵；(3)将轴系扭转的受迫振动方程从实际坐标下变换到模态坐标下；(4)由模态坐标下的轴系扭转受迫振动方程实时求解轴系在模态坐标下的扭转振动响应；(5)将轴系扭转振动响应从模态坐标下变换回实际坐标下，得到轴系扭转振动响应的 实时数据。
2.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，其特征在 于所述步骤(1)中多个质量块分别代表汽轮发电机组各个转子。各质量块基本数据为各 质量块的转动惯量和扭转刚度。
3.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，其特征在 于所述步骤(1)中的激振力数据为计算时间内每一瞬时各质量块上的作用力。自由振动 方程和受迫振动方程由牛顿第二定律推导得出。
4.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，其特征在 于所述步骤O)中由轴系扭转的自由振动方程求解轴系扭转振动的固有频率和固有振 型，求解方法为复模态法。振型矩阵是由固有振型组成的高阶矩阵。
5.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，其特征在 于所述步骤(3)中将轴系扭转受迫振动方程从实际坐标下变换到模态坐标下，方法是利 用振型矩阵进行矩阵线性变换。
6.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，其特征在 于所述步骤(4)中由模态坐标下的轴系扭转受迫振动方程求解轴系在模态坐标下的扭转 振动响应，轴系在模态坐标下的扭转振动响应，是指计算时间内每一瞬时各质量块的位移 和速度。
7.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，其特征在 于所述步骤(5)中将轴系扭转振动响应从模态坐标下变换回实际坐标下，方法是利用振 型矩阵的逆矩阵进行矩阵线性变换。轴系扭转振动响应的真实数据，是指计算时间内每一 瞬时每两个质量块之间，即联轴器部位的扭矩。
全文摘要
基于模态的汽轮发电机组轴系扭振暂态响应实时计算方法，步骤为(1)将发电机组轴系分解为多质量块，由各质量块的参数和各质量块的激振力构成轴系扭转的自由振动方程和受迫振动方程；(2)由轴系扭转的自由振动方程求解轴系扭振的固有频率和振型，构成振型矩阵；(3)利用振型矩阵将轴系扭转的受迫振动方程从实际坐标变换到模态坐标；(4)由模态坐标的轴系扭转受迫振动方程实时求解轴系在模态坐标的扭振响应；(5)将轴系扭振响应从模态坐标变换回实际坐标，得到轴系扭振响应的真实数据。本发明的计算方法可以代替实际测试实验或商用软件的离线分析，采用实时算法得到计算结果，降低了获取汽轮发电机组轴系扭振响应数据的成本和时间。
文档编号G06F19/00GK102110186SQ20091024308
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者刘全, 常富杰, 张涛, 郑巍 申请人:北京四方博能自动化设备有限公司, 北京四方继保自动化股份有限公司