發(fā)電機組軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評估方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于汽輪發(fā)電機組扭振安全性評價【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于發(fā)電機組軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評估方法及系統(tǒng)。本發(fā)明根據(jù)發(fā)電機組軸系-葉片實際結(jié)構(gòu)，建立了機組軸系-葉片耦合振動模型；通過監(jiān)測發(fā)電機三相電流、電壓和轉(zhuǎn)速，計算發(fā)電機電磁力矩和汽輪機蒸汽力矩；并對振動響應(yīng)、模型各質(zhì)量塊之間的相對位移、軸系危險截面扭應(yīng)力響應(yīng)和葉片危險點應(yīng)力響應(yīng)進行了計算；最后根據(jù)轉(zhuǎn)子材料的扭轉(zhuǎn)S-N曲線和葉片材料的S-N曲線，計算轉(zhuǎn)子和葉片危險點的疲勞壽命損耗。本發(fā)明建立了葉片位移-應(yīng)力關(guān)系，可利用葉片的周向位移準確地計算葉片危險點的應(yīng)力，在機組發(fā)生扭振時，能夠及時準確的對軸系和葉片進行扭振疲勞壽命損耗評估。
【專利說明】發(fā)電機組軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評估方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽輪發(fā)電機組扭振安全性評價【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于發(fā)電機組 軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評估方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 汽輪發(fā)電機組是我國電力生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備之一，汽輪發(fā)電機組的安全運行是保障 電力生產(chǎn)的根本。隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，超高壓遠距離輸電、新型 的輸配電和控制技術(shù)的應(yīng)用，使電網(wǎng)產(chǎn)生次同步振蕩和次同步諧振風險性增加，同時由于 汽輪發(fā)電機組逐漸向高功率、大跨距、輕質(zhì)柔性、多支撐的方向發(fā)展，使得軸系加長、橫截面 積相對減小、扭轉(zhuǎn)剛度下降，從而導(dǎo)致國內(nèi)汽輪發(fā)電機組扭振故障頻發(fā)。
[0003] 汽輪發(fā)電機組發(fā)生扭振時，其軸系和葉片會承受不同程度交變應(yīng)力作用，該交變 應(yīng)力幅值一般小于軸系和葉片的許用應(yīng)力，單次作用不會對軸系和葉片造成損傷；但是當 機組扭振引起的交變應(yīng)力幅值超過軸系和葉片的疲勞極限時，長期受該交變應(yīng)力作用的軸 系和葉片會產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，軸系和葉片的疲勞壽命損耗達到一定程度時，易產(chǎn)生疲勞裂紋， 最終導(dǎo)致斷裂。
[0004] 為解決上述問題，研究者主要提出對汽輪發(fā)電機組軸系進行疲勞壽命損耗評估， 根據(jù)評估結(jié)果對軸系扭振損傷程度進行分析，但目前評估方法僅限于對機組軸系進行扭振 疲勞壽命損耗評估，忽略了機組扭振發(fā)生對葉片的影響，同時也缺少較好的實時在線數(shù)值 評估方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明提出了一種用于發(fā)電機組軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評 估方法及系統(tǒng)。
[0006] -種用于發(fā)電機組軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評估方法，包括：
[0007] 步驟1、根據(jù)發(fā)電機組軸系-葉片實際結(jié)構(gòu)，建立機組軸系-葉片耦合振動模型；
[0008] 步驟2、實時監(jiān)測發(fā)電機三相電流、電壓和轉(zhuǎn)速，計算發(fā)電機電磁力矩和汽輪機蒸 汽力矩；
[0009] 步驟3、基于軸系-葉片耦合振動模型進行振動響應(yīng)計算，計算模型中各質(zhì)量塊之 間的相對位移；
[0010] 步驟4、計算軸系危險截面扭應(yīng)力響應(yīng)和葉片危險點應(yīng)力響應(yīng)；
[0011] 步驟5、判斷軸系危險截面扭應(yīng)力是否超過了軸系扭振報警閾值，判斷葉片危險點 應(yīng)力是否超過了葉片扭振報警閾值，如果任何一個超過了則發(fā)出扭振報警信號，如果沒有 則返回執(zhí)行步驟2;
[0012] 步驟6、判斷軸系危險截面扭應(yīng)力是否超過了軸系扭振損傷報警閾值，判斷葉片危 險點應(yīng)力是否超過了葉片扭振損傷報警閾值，如果任何一個超過了則發(fā)出扭振損傷報警信 號，如果沒有則返回執(zhí)行步驟2 ;
[0013] 步驟7、根據(jù)轉(zhuǎn)子材料的扭轉(zhuǎn)S-N曲線和葉片材料的S-N曲線，利用雨流法和線性 累積法計算轉(zhuǎn)子和葉片危險點的疲勞壽命損耗；
[0014] 步驟8、判斷轉(zhuǎn)子的疲勞壽命損耗是否超過轉(zhuǎn)子扭振跳機保護閾值，判斷葉片危險 點的疲勞壽命損耗是否超過了葉片扭振跳機保護閾值；如果任何一個超過了則發(fā)出跳機保 護信號，如果沒有則返回執(zhí)行步驟2。
[0015] 所述步驟1包括：
[0016] 步驟101、建立葉片振動模型；將葉片?；癁橛搔莻€彈簧和η個質(zhì)量塊依次相間隔 連接而成的彈簧-質(zhì)量塊振動模型，葉根一端由彈簧固定；為葉片振動模型第j個質(zhì)量 塊的質(zhì)量；h為葉片振動模型第j個彈簧的X方向剛度，每個質(zhì)量塊只做沿X方向的振動， 其中j = 1，2…n，n為葉片振動模型的質(zhì)量塊數(shù)，由葉片振動模型決定；葉片頂端圍帶對葉 片的作用被?；癁槭┘釉谌~片頂部的外力，力的大小為葉片頂部和葉根之間相對位移的函 數(shù)，在葉根處于固定的情況下，圍帶對葉片的作用力F(X n)單純地為葉片頂部位移的函數(shù)， XnS葉片頂部的第η個質(zhì)量塊的X方向位移；通過調(diào)整模型中的質(zhì)量塊質(zhì)量和彈簧剛度，使 豐吳型在X方向的振動頻率、振型和實際機組在額定轉(zhuǎn)速時葉片在X方向的振動頻率、振型一 致，以便利用彈簧-質(zhì)量塊振動模型準確地對軸系發(fā)生扭振時葉片的振動響應(yīng)和應(yīng)力變化 進行仿真；
[0017] 步驟102、建立軸系振動模型；為了與葉片的振動模型相配合，軸系扭振模型?；?等效為由扭轉(zhuǎn)彈簧和輪盤組成的X方向的集中質(zhì)量振動模型；令I(lǐng) i為軸系扭振模型第i個 輪盤的轉(zhuǎn)動慣量；為軸系扭振模型第i個扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度；mi為等效軸系振動模型 第i個質(zhì)量塊的質(zhì)量；為等效軸系振動模型第i個彈簧的X方向剛度^為軸系扭振模 型第i個質(zhì)量塊所代表軸段的半徑；i = 1，2…N，N為軸系扭振模型的質(zhì)量塊數(shù)，由軸系扭 振模型決定；等效公式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于發(fā)電機組軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評估方法，其特征在于，包括： 步驟1、根據(jù)發(fā)電機組軸系-葉片實際結(jié)構(gòu)，建立機組軸系-葉片耦合振動模型； 步驟2、實時監(jiān)測發(fā)電機三相電流、電壓和轉(zhuǎn)速，計算發(fā)電機電磁力矩和汽輪機蒸汽力 矩； 步驟3、基于軸系-葉片耦合振動模型進行振動響應(yīng)計算，計算模型中各質(zhì)量塊之間的 相對位移； 步驟4、計算軸系危險截面扭應(yīng)力響應(yīng)和葉片危險點應(yīng)力響應(yīng)； 步驟5、判斷軸系危險截面扭應(yīng)力是否超過了軸系扭振報警閾值，判斷葉片危險點應(yīng)力 是否超過了葉片扭振報警閾值，如果任何一個超過了則發(fā)出扭振報警信號，如果沒有則返 回執(zhí)行步驟2 ; 步驟6、判斷軸系危險截面扭應(yīng)力是否超過了軸系扭振損傷報警閾值，判斷葉片危險點 應(yīng)力是否超過了葉片扭振損傷報警閾值，如果任何一個超過了則發(fā)出扭振損傷報警信號， 如果沒有則返回執(zhí)行步驟2 ; 步驟7、根據(jù)轉(zhuǎn)子材料的扭轉(zhuǎn)S-N曲線和葉片材料的S-N曲線，利用雨流法和線性累積 法計算轉(zhuǎn)子和葉片危險點的疲勞壽命損耗； 步驟8、判斷轉(zhuǎn)子的疲勞壽命損耗是否超過轉(zhuǎn)子扭振跳機保護閾值，判斷葉片危險點的 疲勞壽命損耗是否超過了葉片扭振跳機保護閾值；如果任何一個超過了則發(fā)出跳機保護信 號，如果沒有則返回執(zhí)行步驟2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1包括： 步驟101、建立葉片振動模型；將葉片模化為由η個彈簧和η個質(zhì)量塊依次相間隔連接 而成的彈簧-質(zhì)量塊振動模型，葉根一端由彈簧固定；為葉片振動模型第j個質(zhì)量塊的 質(zhì)量；h為葉片振動模型第j個彈簧的X方向剛度，每個質(zhì)量塊只做沿X方向的振動，其中 j= 1，2…η，η為葉片振動模型的質(zhì)量塊數(shù)，由葉片振動模型決定；葉片頂端圍帶對葉片的 作用被?；癁槭┘釉谌~片頂部的外力，力的大小為葉片頂部和葉根之間相對位移的函數(shù)， 在葉根處于固定的情況下，圍帶對葉片的作用力F(Xn)單純地為葉片頂部位移的函數(shù)，\為 葉片頂部的第η個質(zhì)量塊的X方向位移；通過調(diào)整模型中的質(zhì)量塊質(zhì)量和彈簧剛度，使模型 在X方向的振動頻率、振型和實際機組在額定轉(zhuǎn)速時葉片在X方向的振動頻率、振型一致， 以便利用彈簧-質(zhì)量塊振動模型準確地對軸系發(fā)生扭振時葉片的振動響應(yīng)和應(yīng)力變化進 行仿真； 步驟102、建立軸系振動模型；為了與葉片的振動模型相配合，軸系扭振模型?；刃?為由扭轉(zhuǎn)彈簧和輪盤組成的X方向的集中質(zhì)量振動模型；令I(lǐng)i為軸系扭振模型第i個輪盤 的轉(zhuǎn)動慣量；為軸系扭振模型第i個扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度；Hli為等效軸系振動模型第i 個質(zhì)量塊的質(zhì)量；為等效軸系振動模型第i個彈簧的X方向剛度A為軸系扭振模型第 i個質(zhì)量塊所代表軸段的半徑；i= 1，2…N，N為軸系扭振模型的質(zhì)量塊數(shù)，由軸系扭振模 型決定；等效公式為：
相應(yīng)地，令T(t)i為t時刻施加在軸系扭振模型第i個輪盤的電磁力矩或蒸汽力矩；F(t)i為t時刻施加在等效軸系振動模型第i個質(zhì)量塊上X方向的等效作用力；Ri為軸系扭 振模型第i個質(zhì)量塊所代表發(fā)電機軸段繞組半徑或第i個質(zhì)量塊所代表帶葉片軸段上葉輪 的平均半徑；i= 1，2…N，N為軸系扭振模型的質(zhì)量塊數(shù)，由軸系扭振模型決定；施加在軸系 扭振模型上的電磁力矩和蒸汽力矩用下式等效化為X方向的作用力： FWi = 1(^^(2) (2) 步驟103、建立軸系-葉片耦合振動模型；將葉片振動模型與該葉片所在軸段被模化為 振動模型的質(zhì)量塊相結(jié)合，形成軸段-葉片子系統(tǒng)彈簧-質(zhì)量塊振動模型；mi;C1為軸系振動 模型第i個質(zhì)量塊的質(zhì)量，其中i= 1，2…N，N為軸系振動模型的質(zhì)量塊數(shù)，由軸系振動模 型決定；my為軸系振動模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型的第j個質(zhì)量塊的 質(zhì)量，ku為軸系振動模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型的第j個彈簧的X方 向剛度，其中j= 1，2···η，η為葉片振動模型的質(zhì)量塊數(shù)，由葉片振動模型決定；軸系-葉片 耦合振動模型兩端為自由端，圍帶對葉片的作用以系統(tǒng)外力的形式施加在代表葉頂?shù)馁|(zhì)量 塊上，作用力F(Xiin-Xiitl)大小與葉頂-葉根在X方向的位移差成正比，\"代表軸系振動模 型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型中葉片頂端的第η個質(zhì)量塊的X方向位移， Xu代表軸系振動模型第i個質(zhì)量塊的X方向位移，即軸系振動模型第i個質(zhì)量塊所代表軸 段上的葉根在X方向的位移；軸系對葉片子系統(tǒng)的扭矩作用以系統(tǒng)外力F(t)i的形式施加 在軸系振動模型第i個質(zhì)量塊上；最后將等效化為X方向的軸系振動模型和軸段-葉片子 系統(tǒng)彈簧-質(zhì)量塊振動模型相結(jié)合，得到機組軸系-葉片系統(tǒng)彈簧-質(zhì)量塊振動模型；Hiiitl 為軸系振動模型第i個質(zhì)量塊的質(zhì)量，Ki為軸系振動模型第i個彈簧的X方向剛度，其中 i= 1，2…N，N為軸系振動模型的質(zhì)量塊數(shù)，由軸系振動模型決定；mu為軸系振動模型第 i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型的第j個質(zhì)量塊的質(zhì)量，ku為軸系振動模型第i 個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型的第j個彈簧的X方向剛度，其中j= 1，2···!^Iii 為軸系振動模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型的質(zhì)量塊數(shù)，由該軸段位置葉 片振動模型決定；圍帶對葉片的作用以系統(tǒng)外力的形式施加在所代表葉頂?shù)馁|(zhì)量塊上，作 用力的大小與葉頂-葉根在X方向的位移差成正比，為軸系振動模型第 i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型中葉頂?shù)牡讦莻€質(zhì)量塊的X方向位移，Xiitl代表軸 系振動模型第i個質(zhì)量塊的X方向位移，即軸系振動模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉 根在X方向的位移；F(Oi為施加在軸系振動模型第i個質(zhì)量塊上X方向的等效作用力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中發(fā)電機電磁力矩?；用如下 公式計算：
式中，iaQ，iM，i。。為發(fā)電機機端三相電流；uaQ，uM，u。。為發(fā)電機機端三相電壓；ωε為 發(fā)電機瞬時角速度即轉(zhuǎn)速；R為電樞電阻，電樞電阻為發(fā)電機出廠參數(shù)；機端三相電流和電 壓，以及發(fā)電機瞬時角速度均通過在線監(jiān)測獲得；軸系在穩(wěn)態(tài)工作下所受蒸汽力矩與發(fā)電 機電磁力矩相平衡，將軸系出現(xiàn)扭振前的電磁力矩乘以各氣缸的出力比，就能得到各氣缸 的蒸汽力矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3包括： 步驟301、葉片振動模型振動響應(yīng)計算； 令Δ#和Δ#分別為單位時間步長內(nèi)第j個質(zhì)量塊左側(cè)和右側(cè)彈簧對其施加的X方 向的作用力增量；Δ/^+1為單位時間步長內(nèi)第j+i個質(zhì)量塊左側(cè)彈簧對其施加的X方向的 作用力增量；為第j個質(zhì)量塊的質(zhì)量；和&;分別為第j個質(zhì)量塊x方向的速度增 量和加速度增量；h為第j個質(zhì)量塊的阻尼系數(shù)；AFu為第j個質(zhì)量塊所受的X方向的外 力增量；j= 0,1，2…η，η為軸段-葉片子振動模型中葉片質(zhì)量塊的數(shù)量，當j取0時，代 表該質(zhì)量塊為軸系振動模型上與葉片振動系統(tǒng)連接的質(zhì)量塊；對第j個質(zhì)量塊進行受力分 析，有：
在葉片振動響應(yīng)分析中，引入Newmark-β法：
式中，Λ\為第j個質(zhì)量塊X方向的位移增量；~和^·為第j個質(zhì)量塊X方向的速 度和加速度；At為時間步長；β和Y為Newmark-β的參數(shù)，米用平均加速度法，有β= 0. 5,y= 0. 25 ； 將式（5)代入式（4)，得：
式中A1和B1為中間變量，分別為：
令A(yù)xj+1為第j+Ι個質(zhì)量塊X方向的位移增量；kj+1為第j+Ι個彈簧X方向的剛度；經(jīng) 推導(dǎo)得相鄰兩質(zhì)量塊X方向位移增量關(guān)系為：
結(jié)合式￠)、（7)得模型第j+1個質(zhì)量塊X方向左端受力變化量和位移變化量與第j個 質(zhì)量塊X方向左端受力變化量和位移變化量的傳遞關(guān)系為：
(af}l 式（8)為矩陣形式，其中^ 為第j+1個質(zhì)量塊X方向左端受力變化量和模型第 I Jj+丨 Iaf)1 j+l個質(zhì)量塊X方向位移變化量寫成的矩陣表達形式，A 為第j個質(zhì)量塊X方向左端 [Δχ 受力變化量和模型第j個質(zhì)量塊X方向位移變化量寫成的矩陣表達形式； 為方便推導(dǎo)計算，設(shè)中間變量f=AF,e=Δχ，U11 = 1，U12 =Aj,U21 =l/kj+1，U22 = g l+Aj/k^，F(xiàn)f =Bj, 6 ，則式⑶寫為如下矩陣表達形式：
引入Ricatti法，設(shè)Riccati變換為： A=SjVPj (1〇) 其中fj、Sj、e」、Pj為第j個質(zhì)量塊的中間變量，fj+1、Sj+1、ej+1、Pj+1為第j+l個質(zhì)量塊的 中間變量，j= 〇, 1，2......η，η代表模型質(zhì)量塊數(shù)量，第n+1個質(zhì)量塊為假設(shè)質(zhì)量塊，當j 取0時，代表該質(zhì)量塊為軸系振動模型上與葉片振動系統(tǒng)連接的質(zhì)量塊； 將式（10)變換代入式（9)得到：
eJ+1 =MU21SfU22]+ [U21PfFJ(13) 當葉片振動模型由η個質(zhì)量塊組成時，由于模型葉頂為自由端，為方便計算設(shè)葉片振 動模型由n+1個質(zhì)量塊組成，且第n+1個質(zhì)量塊為假設(shè)單元；葉片頂端為自由端，則代表葉 片頂端自由端的第n+1個假設(shè)質(zhì)量塊的中間變量fn+1 =Sn+1en+1+Pn+1 = 0,得Sn+1 = 0,Pn+1 = 〇 ;利用式（11)和式（12)求出Stl和Ptl，因此只要計算得到e(l，即可利用式（13)求出葉片振 動模型所有質(zhì)量塊的位移增量； 為消除此線性趨勢項，在計算質(zhì)量塊加速度增量時由系統(tǒng)增量運動方程求出：
步驟302、軸系振動模型振動響應(yīng)計算；軸系-葉片耦合振動模型由軸系振動模型和葉 片振動模型組成，對于整個軸系-葉片系統(tǒng)其中一部分軸系振動模型，令mi;C1為軸系振動模 型第i個質(zhì)量塊質(zhì)量,Ki為軸系振動模型第i個彈簧X方向剛度，其中i= 1，2, 3…N，N為 軸系振動模型質(zhì)量塊數(shù)量，由軸系振動模型決定；軸系振動模型第i個質(zhì)量塊上葉片對該 質(zhì)量塊的作用力用4。= 31，(|\(|+?^表示，其中3^、？^和\(|分別為步驟301中軸系振動 模型第i個質(zhì)量塊上葉片振動模型的Sc^Ptl和％，其中i= 1，2, 3…N，N為軸系振動模型質(zhì) 量塊數(shù)量；對于. . .，mNj組成的軸系彈簧-質(zhì)量塊振動模型，有關(guān)系式： (ei+l,0_ei,〇)Kj- (ei,〇_ei-l,〇)Ki-! -Si；〇ei；〇+Pi；〇 (15) 對于整個軸系-葉片耦合振動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換式（15)得矩陣表達形式： Ke=Se+P(16) 其中，e- [θ1；〇,e2；〇, . . . ,eN；〇]；S-diag(S1；〇,S2 0, . . . ,SN；〇)；P- [Ρι，〇,P2,〇，···，Pn，〇] T
求解式（16)得到e^，ey，. . .，，通過式（13)計算出一個單位時間步長內(nèi)所有質(zhì)量 塊的位移增量； 步驟303、計算軸系-葉片耦合振動模型振動響應(yīng)及位移，包括： 步驟 303-1、設(shè)i= 1，j= 0,i= 1. · ·N，j= 0· · ·Iii ; 步驟303-2、確定各質(zhì)量塊初始狀態(tài)參數(shù)Xu、/、/和ΛFu，其中&為軸系振動 模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊位移，^/為軸系振動模型 第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊速度，f|J為軸系振動模型第i個 質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊加速度，AFu為軸系振動模型第i個質(zhì) 量塊上外力矩增量； 步驟303-3、利用式（11)、（12)計算各質(zhì)量塊中間變量Su和Pi^其中Su為軸系振動 模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊中間變量，Pu為軸系振動模 型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊中間變量； 步驟303-4、求解式（16)計算軸系振動模型各質(zhì)量塊參數(shù)其中eii(l為步驟301中 軸系振動模型第i個質(zhì)量塊上的葉片振動模型的中間變量; 步驟303-5、利用式（13)計算各質(zhì)量塊參數(shù)其中eu代表ΛXi^為軸系振動模型 第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊位移增量； 步驟303-6、利用式（5)、（14)計算各質(zhì)量塊參數(shù)和Μ,·.;,其中為軸系振動 模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊速度增量，?為軸系振動 模型第i個質(zhì)量塊所代表軸段上的葉片振動模型第j個質(zhì)量塊加速度增量； 步驟303-7、如果Kni,令j+Ι，回到步驟303-2依次執(zhí)行，直到計算出該軸段振動模型 質(zhì)量塊所對應(yīng)的葉片振動模型所有質(zhì)量塊位移、速度和加速度質(zhì)質(zhì)量的增量； 步驟303-8,如果i〈N，令i+Ι，回到步驟303-2依次執(zhí)行，直到計算出所有軸段振動模型 質(zhì)量塊所對應(yīng)的葉片振動模型所有質(zhì)量塊位移、速度和加速度質(zhì)質(zhì)量的增量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4包括： 步驟401、利用步驟3中計算得到的軸系振動模型質(zhì)量塊X方向位移，經(jīng)換算得到軸系 扭振模型質(zhì)量塊角位移，其關(guān)系為位移除以半徑等于角位移；由于軸系扭應(yīng)力與其左右兩 端截面的相對角位移成正比，因此軸系危險截面扭應(yīng)力為截面兩端質(zhì)量塊角位移之差乘以 截面處扭轉(zhuǎn)剛度；求解得出軸系危險截面兩端質(zhì)量塊角位移響應(yīng)，經(jīng)計算得軸系危險截面 扭應(yīng)力響應(yīng)； 步驟402、利用ANSYS建立機組葉輪的有限元模型，對葉輪進行振動響應(yīng)仿真；通過分 析找到靠近葉根位置振型極值點和葉片危險點，葉片危險點即應(yīng)力變化最大處，將這兩點 作為觀察點，建立葉片振型極值點位移-危險點應(yīng)力關(guān)系，利用葉片的周向位移準確地計 算葉片危險點的應(yīng)力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5中軸系扭振損傷報警閥值為軸 系扭振最危險截面材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，葉片扭振損傷報警閥值為葉片材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟6中軸系扭振報警閥值是以軸系 扭振損傷報警閾值乘以安全系數(shù)作為軸系扭振報警閥值，安全系數(shù)為0.4;葉片扭振報警 閥值是以葉片扭振損傷報警閾值乘以安全系數(shù)作為葉片扭振報警閥值，安全系數(shù)為〇. 4。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟8中轉(zhuǎn)子扭振跳機保護閾值是以 機組轉(zhuǎn)子單次疲勞壽命損耗乘以安全系數(shù)作為轉(zhuǎn)子扭振跳機保護閾值，安全系數(shù)為1% ;葉 片扭振跳機保護閾值是以機組葉片單次疲勞壽命損耗乘以安全系數(shù)作為葉片扭振跳機保 護閾值，安全系數(shù)為1%。
9. 一種用于發(fā)電機組軸系-葉片扭振疲勞壽命損耗評估系統(tǒng)，其特征在于，包括：仿真 模塊、監(jiān)測模塊、力矩計算模塊、振動響應(yīng)計算模塊、位移計算模塊、軸系危險截面扭應(yīng)力響 應(yīng)計算模塊、葉片危險點應(yīng)力響應(yīng)計算模塊、扭振報警模塊、扭振損傷報警模塊、疲勞壽命 損耗計算模塊、扭振跳機判斷模塊； 其中，監(jiān)測模塊依次通過力矩計算模塊、振動響應(yīng)計算模塊、位移計算模塊、軸系危險 截面扭應(yīng)力響應(yīng)計算模塊、葉片危險點應(yīng)力響應(yīng)計算模塊、扭振報警模塊、扭振損傷報警 模塊、疲勞壽命損耗計算模塊和扭振跳機判斷模塊相連，仿真模塊和振動響應(yīng)計算模塊相 連； 仿真模塊的功能是：根據(jù)發(fā)電機組軸系-葉片實際結(jié)構(gòu)，建立機組軸系-葉片耦合振動 模型，將軸系分為由N個質(zhì)量塊和N-I個彈簧組成的N個軸段，將每個軸段上所連接的葉片 分為η個質(zhì)量塊和η個彈簧； 監(jiān)測模塊的功能是：實時監(jiān)測發(fā)電機三相電流、電壓和轉(zhuǎn)速； 力矩計算模塊的功能是：根據(jù)監(jiān)測模塊實時監(jiān)測發(fā)電機三相電流、電壓和轉(zhuǎn)速計算發(fā) 電機電磁力矩和汽輪機蒸汽力矩； 振動響應(yīng)計算模塊的功能是：基于軸系-葉片耦合振動模型進行振動響應(yīng)計算； 位移計算模塊的功能是：計算模型中各質(zhì)量塊之間的相對位移； 軸系危險截面扭應(yīng)力響應(yīng)計算模塊的功能是：根據(jù)位移計算模塊計算得到的軸系振動 模型質(zhì)量塊X方向位移，經(jīng)換算得到軸系扭振模型質(zhì)量塊角位移，將截面兩端質(zhì)量塊角位 移之差乘以截面處扭轉(zhuǎn)剛度，得到軸系危險截面扭應(yīng)力響應(yīng)； 葉片危險點應(yīng)力響應(yīng)計算模塊的功能是：利用ANSYS建立機組葉輪的有限元模型，對 葉輪進行振動響應(yīng)仿真；通過分析找到靠近葉根位置振型極值點和葉片危險點，將這兩點 作為觀察點，建立葉片振型極值點位移-危險點應(yīng)力關(guān)系，利用葉片的周向位移準確地計 算葉片危險點的應(yīng)力； 扭振報警模塊的功能是：判斷軸系危險截面扭應(yīng)力是否超過了軸系扭振報警閾值，判 斷葉片危險點應(yīng)力是否超過了葉片扭振報警閾值，如果任何一個超過了則發(fā)出扭振報警信 號； 扭振損傷報警模塊的功能是：判斷軸系危險截面扭應(yīng)力是否超過了軸系扭振損傷報警 閾值，判斷葉片危險點應(yīng)力是否超過了葉片扭振損傷報警閾值，如果任何一個超過了則發(fā) 出扭振損傷報警信號； 疲勞壽命損耗計算模塊的功能是：根據(jù)轉(zhuǎn)子材料的扭轉(zhuǎn)S-N曲線和葉片材料的S-N曲 線，利用雨流法和線性累積法計算轉(zhuǎn)子和葉片危險點的疲勞壽命損耗； 扭振跳機判斷模塊的功能是：判斷轉(zhuǎn)子的疲勞壽命損耗是否超過轉(zhuǎn)子扭振跳機保護閾 值，判斷葉片危險點的疲勞壽命損耗是否超過了葉片扭振跳機保護閾值；如果任何一個超 過了則發(fā)出跳機保護信號。
【文檔編號】G01M15/00GK104236915SQ201410484311
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】顧煜炯, 俎海東, 金鐵錚 申請人:華北電力大學(xué)