汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振疲勞損傷的估算系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振疲勞損傷的估 算系統(tǒng)，具有快速、精確和在線估算的特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率的迅猛增長，軸系變得相對(duì)細(xì)長；與此同時(shí)輸電系統(tǒng)的大 容量化、長距離化及電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，電力負(fù)荷的多樣化，新型輸配電和控制技術(shù)的 應(yīng)用等，都極易誘發(fā)機(jī)網(wǎng)之間的各種耦合振動(dòng)共振現(xiàn)象。大型機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系的扭振直接導(dǎo) 致其危險(xiǎn)部位的扭振發(fā)生過度疲勞損傷，對(duì)軸系發(fā)電機(jī)組安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，國內(nèi)外已 經(jīng)有案例表明由于機(jī)網(wǎng)次同步扭振最終導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生不可修復(fù)的損壞，給電廠業(yè) 主帶來嚴(yán)重的損失。如能準(zhǔn)確地評(píng)估汽輪機(jī)組軸系扭振疲勞損傷并及時(shí)采取有效措施，將 可避免災(zāi)難性后果的發(fā)生。目前對(duì)于汽輪機(jī)軸系壽命的評(píng)估，傳統(tǒng)方法是采用全壽命分析 法（S-N曲線法)。全壽命分析法需要通過應(yīng)力分布確定對(duì)象的危險(xiǎn)部位，并獲得其載荷譜， 而后根據(jù)Miners損傷線性累計(jì)理論計(jì)算分析對(duì)象所受疲勞損傷值，從而得出分析對(duì)象的 疲勞壽命消耗。全壽命分析法中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是獲取危險(xiǎn)部位的載荷譜，這直接關(guān)系到 最終疲勞損傷結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0003] 由于轉(zhuǎn)子體高速旋轉(zhuǎn)，因此技術(shù)上較難直接、實(shí)時(shí)和就地測(cè)量獲得其應(yīng)力應(yīng)變值， 一般情況下需要通過建立扭振數(shù)學(xué)模型?？紤]到結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜性和應(yīng)力集中的放大效應(yīng)， 可以認(rèn)為軸系準(zhǔn)確建模是進(jìn)行扭振分析的關(guān)鍵之一，其精確性和簡單實(shí)用性將大大提高這 些模型的研究效率和研究準(zhǔn)確度。
[0004] 目前工程常用的軸系模型可分為兩類：分布質(zhì)量模型和集中質(zhì)量模型。分布質(zhì)量 模型是汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的精確描述，使用偏微分方程形式表不，但該模型求解偏微分方 程計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算速度較低；同時(shí)，基于該模型的強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，在方法上很難實(shí)現(xiàn)。因此， 在扭振的理論研究或者定性分析中，應(yīng)用分布質(zhì)量簡化模型或低階集中質(zhì)量模型的比較 多；而在以實(shí)際軸系為背景或在線計(jì)算扭振響應(yīng)時(shí)，一般選擇多段集中質(zhì)量軸系模型。集中 質(zhì)量模型物理概念清晰，使用簡單，但為了提高精度，需要增加軸系的分塊數(shù)，這將引起仿 真速度的降低；而為了提高仿真速度，就必須減少軸系分塊數(shù)，精度將大大降低，同時(shí)集中 質(zhì)量模型很難刻畫聯(lián)軸器等特殊結(jié)構(gòu)部件的受力分布特征。在線扭應(yīng)力分析中，要求軸系 模型計(jì)算速度快，這樣才能滿足實(shí)時(shí)要求，同時(shí)也要求計(jì)算盡可能精度高，這是集中質(zhì)量模 型難以做到的。
[0005] 除上述模型方法以外，還可以采用有限元模型，但是由于有限元模型一般耗費(fèi)計(jì) 算機(jī)資源，因此，在線扭應(yīng)力分析系統(tǒng)中較少使用。本發(fā)明中通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)頭扭角 歷程，利用模型離線處理模塊通過對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系進(jìn)行全尺寸有限元建模分析，得到 機(jī)頭模態(tài)扭角和關(guān)鍵部件相對(duì)扭角的關(guān)系；通過對(duì)關(guān)鍵部件精細(xì)有限元分析得到關(guān)鍵部位 應(yīng)力集中系數(shù)和扭角-應(yīng)力關(guān)系；結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理模塊及疲勞損傷分析模塊，經(jīng)過 數(shù)據(jù)關(guān)系處理后能較精確地在線估算汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的扭振疲勞壽命。
[0006] 從目前公開文獻(xiàn)及專利來看，專利"CN101750216A次同步振蕩引起的汽輪發(fā)電機(jī) 軸系疲勞損傷在線分析方法"與本發(fā)明不同：在汽輪機(jī)組軸系建模時(shí)采用連續(xù)質(zhì)量模型，通 過建立汽輪發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷下相電壓、相電流與軸系危險(xiǎn)部位瞬態(tài)扭矩關(guān)系表及有限元軟 件分析危險(xiǎn)部位應(yīng)力與扭矩關(guān)系實(shí)現(xiàn)疲勞損傷分析；專利"CN104236705A汽輪發(fā)電機(jī)組軸 系大擾動(dòng)瞬態(tài)沖擊扭振監(jiān)測(cè)的方法及系統(tǒng)"及專利" CNlO 1222133A汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振 保護(hù)裝置"與本發(fā)明不同：在軸系建模中均采用集中質(zhì)量模型，通過傳遞矩陣根據(jù)計(jì)算扭力 矩變化得到軸系扭應(yīng)力響應(yīng)實(shí)現(xiàn)最終疲勞損傷分析；專利"CN104810798A汽輪發(fā)電機(jī)組軸 系扭振保護(hù)方法及保護(hù)裝置"與本發(fā)明不同：通過軸系結(jié)構(gòu)有限元分析確定薄弱環(huán)節(jié)位置， 結(jié)合材料參數(shù)及影響系數(shù)，采用名義應(yīng)力法和局部應(yīng)變法結(jié)合，計(jì)算薄弱環(huán)節(jié)的疲勞強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸 系扭振疲勞損傷的估算系統(tǒng)，具有快速、精確和在線估算的特點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明可應(yīng)用于電廠汽輪機(jī)軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)快速、精確和在線估算 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振疲勞損傷程度。
[0009] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的： 通過傳感器測(cè)得機(jī)頭實(shí)時(shí)扭角信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)器、數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入終端計(jì)算機(jī)，在計(jì)算 機(jī)中對(duì)機(jī)頭實(shí)測(cè)扭角信號(hào)進(jìn)行分解，并結(jié)合全尺寸軸系有限元扭振模態(tài)分析及非線性接觸 和塑性分析，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)錄波數(shù)據(jù)的軸系扭振損傷在線評(píng)估。
[0010] 本系統(tǒng)包括研究對(duì)象汽輪機(jī)軸系，設(shè)置有傳感器、調(diào)制解調(diào)器、采集器和終端計(jì)算 機(jī)； 汽輪機(jī)軸系、傳感器、調(diào)制解調(diào)器、采集器和終端計(jì)算機(jī)依次連接； 終端計(jì)算機(jī)的估算模塊包括模型離線處理模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理模塊、疲勞損傷分 析模塊和結(jié)果顯示模塊； 其交互關(guān)系是： 模型離線處理模塊和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理模塊分別與疲勞損傷分析模塊交互，疲勞損傷 分析模塊和結(jié)果顯示模塊交互。
[0011] 估算模塊包括模型離線處理模塊510、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理模塊520、疲勞損傷分析 模塊530和結(jié)果顯示模塊540 全尺寸建模及有限元分析模塊511和危險(xiǎn)部位建模及非接觸分析模塊512 本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果： ①提出了一種較好結(jié)合全尺寸有限元軸系模型和錄波數(shù)據(jù)的扭振疲勞損傷分析系統(tǒng)： 通過機(jī)頭模態(tài)扭角和關(guān)鍵部件相對(duì)扭角的關(guān)系及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)頭扭角歷程，結(jié)合關(guān)鍵部件精 細(xì)有限元分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)關(guān)系處理后能較精確地在線估算汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的扭振疲勞壽 命。
[0012] ②建立全尺寸建模及有限元分析模塊可以更準(zhǔn)確地獲得軸系的振型曲線及模態(tài) 頻率，建立危險(xiǎn)部位建模及非接觸分析模塊可更準(zhǔn)確的得到關(guān)鍵部位(如軸頸）在軸端單位 扭角下的扭應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。振型曲線和模態(tài)頻率可通過試驗(yàn)或其他理論分析進(jìn)行相互驗(yàn) 證，應(yīng)力集中處的扭應(yīng)力或集中系數(shù)可通過查詢相關(guān)機(jī)械手冊(cè)得到驗(yàn)證，從而較好地保證 了有限元結(jié)果分析的準(zhǔn)確性和精確度。
[0013] ③對(duì)于某一特定結(jié)構(gòu)的軸系，經(jīng)過模型離線處理模塊后得到不同模態(tài)下機(jī)頭扭 角-危險(xiǎn)部位扭角關(guān)系及危險(xiǎn)部位扭角-應(yīng)力關(guān)系，與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理模塊520中測(cè)得 的獲得不同模態(tài)下軸端扭振幅值(錄波測(cè)量）與危險(xiǎn)部位(軸頸）扭振幅值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 后繼通過錄波評(píng)估軸系扭振疲勞損傷過程即不再需要重新運(yùn)行軸系全尺寸瞬態(tài)有限元分 析以及非線性瞬態(tài)分析(如軸系含有套裝式聯(lián)軸器且該部件為危險(xiǎn)部件的情況)，從而可在 極大節(jié)省分析時(shí)間的同時(shí)仍然具有較高的分析精確度，簡化整個(gè)扭振損傷評(píng)價(jià)過程。由于 有限元分析過程只需要進(jìn)行一次即可，因此本方法非常適合對(duì)快速性和精確性都有較高要 求的在線扭振安全性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0014] ④在電廠中，使用模型離線處理模塊對(duì)汽輪機(jī)軸系進(jìn)行分析后，對(duì)得到的機(jī)頭扭 角與危險(xiǎn)部位扭角關(guān)系、危險(xiǎn)部位應(yīng)力-扭角關(guān)系、危險(xiǎn)部件修正后的S-N曲線建立相應(yīng)數(shù) 據(jù)庫，再通過簡化的代碼或參數(shù)將其嵌入扭振監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)功能模塊中，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)可 形成簡化代碼或參數(shù)嵌入扭振監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)功能模塊。
[0015] 總之，本估算系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系在線扭振疲勞損傷分析，其估 算模塊可靈活嵌入現(xiàn)有電廠安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，不僅適用于對(duì)電廠汽輪機(jī)組軸系扭振疲勞損 傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也適用于對(duì)一般大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系進(jìn)行扭振疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
【附圖說明】
[0016] 圖1是汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振疲勞損傷的估算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是終端計(jì)算機(jī)的估算模塊結(jié)構(gòu)圖； 圖中： 100-汽輪機(jī)軸系； 200-傳感器； 300一調(diào)制解調(diào)器； 400-米集器； 500-終端計(jì)算機(jī)， 510- 模型離線處理模塊， 511- 全尺寸建模及有限元分析模塊， 512- 危險(xiǎn)部位建模及非接觸分析模塊， 520-數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理模塊， 530-疲勞損傷分析模塊， 540-結(jié)果顯示模塊。
[0017] (圖3. 1-3. 3是某汽輪發(fā)電機(jī)軸系利用模型離線處理模塊的實(shí)例）： 圖3. 1是該汽輪發(fā)電機(jī)軸系全尺寸建模圖； 圖3. 2是該汽輪發(fā)電機(jī)軸系前三階模態(tài)扭振曲線； 圖3. 3是該汽輪發(fā)電機(jī)各軸頸修正后的S-N曲線； (圖4. 1-4. 2是某汽輪發(fā)電機(jī)軸系利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理模塊的實(shí)例）： 圖4. 1是該汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)頭扭角速度積分曲線； 圖4. 2是該汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)頭扭角速度信號(hào)； (圖5是某汽輪發(fā)電機(jī)軸系利用疲勞損傷分析模塊的實(shí)例）： 圖5是該汽輪發(fā)電機(jī)#9軸頸一階扭應(yīng)力譜。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例詳細(xì)說明： 一、汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振疲勞損傷的估算系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng)） 1、總體 如圖1，本系