汽輪發電機組軸系扭振疲勞損傷的估算系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及汽輪發電機領域，尤其涉及一種汽輪發電機組軸系扭振疲勞損傷的估 算系統，具有快速、精確和在線估算的特點。
【背景技術】
[0002] 汽輪發電機組單機功率的迅猛增長，軸系變得相對細長；與此同時輸電系統的大 容量化、長距離化及電力系統結構的復雜化，電力負荷的多樣化，新型輸配電和控制技術的 應用等，都極易誘發機網之間的各種耦合振動共振現象。大型機組轉子軸系的扭振直接導 致其危險部位的扭振發生過度疲勞損傷，對軸系發電機組安全性產生嚴重影響，國內外已 經有案例表明由于機網次同步扭振最終導致了發電機轉子發生不可修復的損壞，給電廠業 主帶來嚴重的損失。如能準確地評估汽輪機組軸系扭振疲勞損傷并及時采取有效措施，將 可避免災難性后果的發生。目前對于汽輪機軸系壽命的評估，傳統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力分布確定對象的危險部位，并獲得其載荷譜， 而后根據Miners損傷線性累計理論計算分析對象所受疲勞損傷值，從而得出分析對象的 疲勞壽命消耗。全壽命分析法中非常關鍵的環節是獲取危險部位的載荷譜，這直接關系到 最終疲勞損傷結果的準確性。
[0003] 由于轉子體高速旋轉，因此技術上較難直接、實時和就地測量獲得其應力應變值， 一般情況下需要通過建立扭振數學模型。考慮到結構件的復雜性和應力集中的放大效應， 可以認為軸系準確建模是進行扭振分析的關鍵之一，其精確性和簡單實用性將大大提高這 些模型的研究效率和研究準確度。
[0004] 目前工程常用的軸系模型可分為兩類：分布質量模型和集中質量模型。分布質量 模型是汽輪發電機組軸系的精確描述，使用偏微分方程形式表不，但該模型求解偏微分方 程計算復雜，計算速度較低；同時，基于該模型的強迫振動計算，在方法上很難實現。因此， 在扭振的理論研究或者定性分析中，應用分布質量簡化模型或低階集中質量模型的比較 多；而在以實際軸系為背景或在線計算扭振響應時，一般選擇多段集中質量軸系模型。集中 質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，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，精度將大大降低，同時集中 質量模型很難刻畫聯軸器等特殊結構部件的受力分布特征。在線扭應力分析中，要求軸系 模型計算速度快，這樣才能滿足實時要求，同時也要求計算盡可能精度高，這是集中質量模 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計 算機資源，因此，在線扭應力分析系統中較少使用。本發明中通過傳感器實時監測機頭扭角 歷程，利用模型離線處理模塊通過對汽輪發電機組軸系進行全尺寸有限元建模分析，得到 機頭模態扭角和關鍵部件相對扭角的關系；通過對關鍵部件精細有限元分析得到關鍵部位 應力集中系數和扭角-應力關系；結合數據實時在線處理模塊及疲勞損傷分析模塊，經過 數據關系處理后能較精確地在線估算汽輪發電機組軸系的扭振疲勞壽命。
[0006] 從目前公開文獻及專利來看，專利"CN101750216A次同步振蕩引起的汽輪發電機 軸系疲勞損傷在線分析方法"與本發明不同：在汽輪機組軸系建模時采用連續質量模型，通 過建立汽輪發電機額定負荷下相電壓、相電流與軸系危險部位瞬態扭矩關系表及有限元軟 件分析危險部位應力與扭矩關系實現疲勞損傷分析；專利"CN104236705A汽輪發電機組軸 系大擾動瞬態沖擊扭振監測的方法及系統"及專利" CNlO 1222133A汽輪發電機組軸系扭振 保護裝置"與本發明不同：在軸系建模中均采用集中質量模型，通過傳遞矩陣根據計算扭力 矩變化得到軸系扭應力響應實現最終疲勞損傷分析；專利"CN104810798A汽輪發電機組軸 系扭振保護方法及保護裝置"與本發明不同：通過軸系結構有限元分析確定薄弱環節位置， 結合材料參數及影響系數，采用名義應力法和局部應變法結合，計算薄弱環節的疲勞強度。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的就在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種汽輪發電機組軸 系扭振疲勞損傷的估算系統，具有快速、精確和在線估算的特點。
[0008] 本發明可應用于電廠汽輪機軸系狀態監測系統中，以實現快速、精確和在線估算 汽輪發電機組軸系扭振疲勞損傷程度。
[0009] 本發明的目的是這樣實現的： 通過傳感器測得機頭實時扭角信號，經過解調器、數據采集器進入終端計算機，在計算 機中對機頭實測扭角信號進行分解，并結合全尺寸軸系有限元扭振模態分析及非線性接觸 和塑性分析，實現基于實時錄波數據的軸系扭振損傷在線評估。
[0010] 本系統包括研究對象汽輪機軸系，設置有傳感器、調制解調器、采集器和終端計算 機； 汽輪機軸系、傳感器、調制解調器、采集器和終端計算機依次連接； 終端計算機的估算模塊包括模型離線處理模塊、數據實時在線處理模塊、疲勞損傷分 析模塊和結果顯示模塊； 其交互關系是： 模型離線處理模塊和數據實時在線處理模塊分別與疲勞損傷分析模塊交互，疲勞損傷 分析模塊和結果顯示模塊交互。
[0011] 估算模塊包括模型離線處理模塊510、數據實時在線處理模塊520、疲勞損傷分析 模塊530和結果顯示模塊540 全尺寸建模及有限元分析模塊511和危險部位建模及非接觸分析模塊512 本發明具有下列優點和積極效果： ①提出了一種較好結合全尺寸有限元軸系模型和錄波數據的扭振疲勞損傷分析系統： 通過機頭模態扭角和關鍵部件相對扭角的關系及實時監測機頭扭角歷程，結合關鍵部件精 細有限元分析，經過數據關系處理后能較精確地在線估算汽輪發電機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確地獲得軸系的振型曲線及模態 頻率，建立危險部位建模及非接觸分析模塊可更準確的得到關鍵部位(如軸頸）在軸端單位 扭角下的扭應力的對應關系。振型曲線和模態頻率可通過試驗或其他理論分析進行相互驗 證，應力集中處的扭應力或集中系數可通過查詢相關機械手冊得到驗證，從而較好地保證 了有限元結果分析的準確性和精確度。
[0013] ③對于某一特定結構的軸系，經過模型離線處理模塊后得到不同模態下機頭扭 角-危險部位扭角關系及危險部位扭角-應力關系，與數據實時在線處理模塊520中測得 的獲得不同模態下軸端扭振幅值(錄波測量）與危險部位(軸頸）扭振幅值的一一對應關系。 后繼通過錄波評估軸系扭振疲勞損傷過程即不再需要重新運行軸系全尺寸瞬態有限元分 析以及非線性瞬態分析(如軸系含有套裝式聯軸器且該部件為危險部件的情況)，從而可在 極大節省分析時間的同時仍然具有較高的分析精確度，簡化整個扭振損傷評價過程。由于 有限元分析過程只需要進行一次即可，因此本方法非常適合對快速性和精確性都有較高要 求的在線扭振安全性監測系統。
[0014] ④在電廠中，使用模型離線處理模塊對汽輪機軸系進行分析后，對得到的機頭扭 角與危險部位扭角關系、危險部位應力-扭角關系、危險部件修正后的S-N曲線建立相應數 據庫，再通過簡化的代碼或參數將其嵌入扭振監測系統相關功能模塊中，實現在線監測可 形成簡化代碼或參數嵌入扭振監測系統相關功能模塊。
[0015] 總之，本估算系統能實現快速的汽輪發電機組軸系在線扭振疲勞損傷分析，其估 算模塊可靈活嵌入現有電廠安全監測系統中，不僅適用于對電廠汽輪機組軸系扭振疲勞損 傷進行監測，也適用于對一般大型旋轉機械軸系進行扭振疲勞損傷進行監測。
【附圖說明】
[0016] 圖1是汽輪發電機組軸系扭振疲勞損傷的估算系統結構示意圖； 圖2是終端計算機的估算模塊結構圖； 圖中： 100-汽輪機軸系； 200-傳感器； 300一調制解調器； 400-米集器； 500-終端計算機， 510- 模型離線處理模塊， 511- 全尺寸建模及有限元分析模塊， 512- 危險部位建模及非接觸分析模塊， 520-數據實時在線處理模塊， 530-疲勞損傷分析模塊， 540-結果顯示模塊。
[0017] (圖3. 1-3. 3是某汽輪發電機軸系利用模型離線處理模塊的實例）： 圖3. 1是該汽輪發電機軸系全尺寸建模圖； 圖3. 2是該汽輪發電機軸系前三階模態扭振曲線； 圖3. 3是該汽輪發電機各軸頸修正后的S-N曲線； (圖4. 1-4. 2是某汽輪發電機軸系利用數據實時在線處理模塊的實例）： 圖4. 1是該汽輪發電機機頭扭角速度積分曲線； 圖4. 2是該汽輪發電機機頭扭角速度信號； (圖5是某汽輪發電機軸系利用疲勞損傷分析模塊的實例）： 圖5是該汽輪發電機#9軸頸一階扭應力譜。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖和實例詳細說明： 一、汽輪發電機組軸系扭振疲勞損傷的估算系統(簡稱系統） 1、總體 如圖1，本系