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水电站机组-基础耦合系统的自适应振动控制

郑泽知  
【摘要】:大型旋转机械的振动问题多年来都备受关注,水轮发电机组作为大型旋转机械的一种,自身运行环境的特殊性所带来的水机电耦合影响,使其动力学响应具有复杂的非线性。随水轮发电机组向着大型化、复杂化等方向发展,轴系统的非线性振动问题以及运行稳定性问题日益突出。同时,混凝土基础结构在水力脉动等多种荷载作用下,将产生复杂的不确定性振动,并通过导轴承、机架将径向荷载传递至机组,影响机组轴系的稳定运行。因此,进一步研究和揭示水电机组轴系统复杂非线性动力特性的内在机理以及针对其不同的振动状态或故障现象施加相应的控制措施,实现其安全、可靠的运行,具有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文基于转子动力学理论基础以及非线性数值分析方法,将水轮发电机组轴系统作为主要研究对象,利用MATLAB和Simulink程序进行建模仿真分析,主要的工作和研究成果如下:(1)针对水轮机轴系的振动时变性,提出利用形状记忆合金(SMA)开展对该系统的振动控制研究,建立了具有SMA阻尼器的水轮发电机组轴系的非线性振动模型和控制方法。分别考虑单一和耦合激励作用下,计算相应的分岔图和Poincare映射图,研究了 SMA阻尼器对水轮发电机组轴系振动的影响。结果表明,SMA阻尼器对水轮发电机组轴系有明显的减振效果,可以有效减小水轮机轴系的振动幅值,提高水轮发电机组运行的稳定性。(2)以水轮发电机组和基础耦合动力系统为研究对象,并考虑机组的转子不平衡、转轮密封力等非线性作用,建立了带有基础随机外激励的水电机组轴系统的非线性动力学微分方程。研究了不同频率、强度和谱宽下的基础随机激励对主轴系统振动的影响。结果表明,基础激励频率的改变以及强度和谱宽的变化将影响机组运行稳定性,导致主轴系统出现多周期运动和混沌运动等复杂的非线性振动现象。(3)为了解决水轮发电机组在基础激励作用下产生的振动问题,提出了 MRD阻尼器—PID控制方法。在MRD阻尼器对传统机组轴系振动控制的基础上,基于基础随机激励对机组轴系的影响,针对性的加入PID控制,通过反馈参数自适应地调节阻尼力,抑制机组轴系的振动问题。通过对控制下的水轮发电机组轴系动力学响应的对比分析,表明MRD-PID控制系统可以有效的针对机组轴系因故障问题引起的振动放大情况,有效减小基础激励的影响,提高机组轴系统运行的稳定性。


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