水电站机组和厂房耦合系统非线性动力学问题研究

水电机组的单机容量和引用水头越来越高，振动问题也愈益突出，耦合系统的非线性问题成为目前研究的热点和难点，尤其是振动激励载荷和系统振动参数的扰动性成为振动预测与控制的关键问题。本课题研究是在以往研究的基础上，针对振动激励的非线性，结构参数非线性和耦合系统的振动传导问题开展研究。主要内容和学术成果包括： 针对水电机组轴系耦合系统中各独立单元、荷载及整体系统开展非线性动力特性分析，着重分析了水轮发电机组转子-轴承系统在不平衡磁拉力（UMP）激励作用下的非线性特性，讨论了有无励磁电流情况下的系统所呈现的不同非线性动力学行为并提出了在UMP作用下提高系统稳定性的有效措施。进而建立了新的机组轴系-厂房耦合非线性模型，利用Fortran语言和UPFs二次开发成功解决了非线性磁拉力和和导轴承油膜刚度非线性实时加载的问题，并在此基础上进行整体结构的有限元仿真分析。 建立了包含顶盖子系统的水电站振动传递模型，分析了考虑参数具有随机性时多振源多路径结构的振动响应，并在此基础上重点研究了参数在多种扰动因素共同作用以及各因素之间、参数之间存在相关性时的结构振动传导问题，特别是各参数扰动灵敏度以及路径传导灵敏度问题。讨论了参数具有两类相关性时结构响应的精度以及扰动范围。 研究了基于有限元的功率流方法，系统分析弯曲波、剪切波、纵波激励时水电站厂房耦合板墙结构能量传导规律，深入研究了主副厂房耦联结构的振动传导问题，讨论了主副厂房分隔缝的填充材料选用以及围岩约束问题，最终实现了以功率流为基础的大型水电站结构振动传导的有限元仿真。 结合本课题的开展，完成学术论文15余篇（已正式发表15篇，SCI收录2篇，EI收录7篇）；出版学术专著《水电站厂房和机组耦合动力学理论及应用》，成果“水电站厂房和机组动力学及其耦合振动研究与应用”通过了辽宁省科学技术厅组织的专家鉴定，认为总体上达到了国际领先水平，并被评为中国水力发电科学技术三等奖；培养博士和硕士研究生15名，其中博士研究生6名，3人即将完成学业，已毕业硕士研究生5名。课题研究的科学意义和应用价值在于，通过探讨振动荷载及参数非线性的特性和分析方法，揭示整体耦合系统的非线性特性，并应用于大型水电站结构的动态仿真计算，从而为机组和厂房结构的动力优化设计和振动控制提供理论指导和技术依据，对我国大量巨型电站和抽水蓄能电站的建设，具有明显的应用价值。 2100433B

我国已建、在建和拟建的大型甚至巨型水电站工程日多，机组和厂房振动稳定性问题日益突出，理论研究和工程实践仍然滞后。机组轴系统是振动的主体，厂房是其重要的基础支承结构，水力、机械和电磁作用是其主要的激励源，系统的相互耦合和非线性特征甚为显著,振动稳定性问题的理论解析、数学表达和工程解决一直是研究的热点和难点。本课题重点在于建立综合考虑轴承、密封、电磁、支承等单元非线性特性的机组-厂房耦合系统非线性动力学模型，探讨其动态非线性条件下的系统刚度、自由振动特性、强迫振动反映和稳定性判据；同时对水机电耦合系统的动力特性进行模拟，解析其稳态尤其是非稳态运行条件下的激励特性，进而研究其诱发的机组和厂房的振动稳定性;利用已获得的原型电站振动试验数据，进行信号分析和识别反演，评价验证和修正完善数学模型;最后，以厂房钢筋混凝土结构为主要对象，研究其在机组综合激励源作用下的传力机理、受力特征和振动反应。

我国在建和拟建的大型甚至巨型水电站日多，振动问题日益突出，而理论研究和工程实践相对滞后。机组旋转系统是主厂房的主振源，厂房是机组的主要支承体，两者通过轴承及其支承体系连接，其耦合系统的动力学问题十分复杂，其动力学理论、数学方法及振动预测控制成为目前该研究领域的难点之一。本课题重点建立耦合系统的动力学分析模型，探讨其线性甚或非线性动力学特性，包括系统刚度、固有振动特性、振动反应和稳定性判据等。项目研究的整体思路是，一方面研究厂房钢筋混凝土支承体系对机组轴系统转子动力学特性的影响，一方面研究机组轴系统和水轮机流道系统振动载荷对厂房结构体系的激励效应，通过巨型全耦联体系、超单元和子结构等数学模型构建方法，研究立式水轮发电机组轴系统和厂房钢筋混凝土结构的动力学相互作用机理和振动传递途径，为机组和厂房的动力分析、动态优化、减振防振抗振设计等提供理论基础和数值方法。

全书反映了目前水轮发电机组振动理论与工程领域的前沿研究动态和最新成果，并特别重视理论研究与工程应用的紧密结合，治理与振动问题的应用基础研究与实践治理经验的总结。主要内容包括：抽水蓄能电站机组和厂房振动，贯流式机组振动，机组抗震分析和轴系统动力优化设计，机组钢筋混凝土支承结构的动力特性，振动现场试验，大量机组振动实例介绍和振动故障诊断与状态监测，主厂房振动以及机组与厂房振动的评价标准等。

本书可供水电领域从事科学研究、设计制造、运行管理等方面工作的研究与工程技术人员参考，也可作为水利水电和水利机械等专业的研究生教材和参考书，尤其希望能对实践中机组振动的研究解决提供有益的帮助和借鉴。

《水电站厂房和机组耦合动力学理论及应用》全面阐述了水电站水轮发电机组和厂房振动的理论与数值分析方法及成果，反映了目前水电站机组和厂房耦合振动理论与工程应用方面的前沿研究动态和最新成果，特别重视理论研究与工程应用的紧密结合，致力于水电站耦合动力安全问题的应用基础研究与工程实践经验的总结。