当前课程知识点：流体机械基础 > 第11讲 流体机械多场耦合 > 11.4 轴系多场耦合特性 > Video
下面我们来了解
更为复杂的轴系多场耦合特性
如图所示 展示的是
水轮发电机组的
转子轴承系统
前面的讲解中
我们曾提过
轴系是由机组的转动部分组成的
从上到下依次是上端轴
电动发电机组转子
下端轴 推力头
主轴和水轮机转轮
而旋转部分又由
三个导轴承和一个推力轴承支撑
水导轴承布置在主轴密封的上方
上下导轴承分别布置在
发电机的上下机架上
而推力轴承则布置在
顶盖上方的推力支架上
这样就构成了完整的
转子轴承系统
在这个转子轴承系统中
轴系的旋转部件
通过发电机转子
主轴和转轮连为一体
由轴承支撑
因此
整个系统的电磁参数
机械参数
热力参数和水力参数
都相互作用和影响
从而构成了
复杂的多场耦合的关系
一方面
发电机转子的质量不平衡
会引发转子和定子的
空气间隙不均匀
从而产生不平衡磁拉力
使得轴系的振动幅值增大
另一方面
导轴承的间隙不均
会引起大轴弓状回旋
进而会使水轮机的密封间隙不均
产生水力不平衡力
反过来又会加剧轴系的振动
因此
在对转子轴承系统进行分析时
需要充分考虑流场 结构场
温度场和电磁场间的多场耦合影响
左图为水泵水轮机轴系的物理模型
右图为划分的计算网格
轴承和密封等处
给出合理的边界条件
譬如给定刚度系数和阻尼系数
经过计算分析
就可以得到轴系的动力特性
这里先给出轴系的模态特性
轴系的模态包括横向模态
轴向模态和扭转模态
先分析轴系的前三阶横向振型
第1阶振型
主要表现为发电机转子的摆动
2阶振型
主要是水轮机转轮的摆动
发电机转子几乎静止
而3阶振型
主要是推力头部分的摆动
同时发电机转子也略有摆动
从这里也可以看出各个轴承
对轴系各部分的影响是不同的
轴系横向模态
还受到不平衡磁拉力
轴承的刚度和阻尼系数的直接影响
由于发电机转子和定子之间
因间隙不均
就会产生不平衡磁拉力
不平衡磁拉力
相当于一个负的刚度系数
对横向模态会产生影响
这里列出了轴系前三阶模态
因不平衡磁拉力的影响
第1阶模态为发电机摆动模态
因此不平衡磁拉力
降低了刚度系数
使其固有频率下降
而对2 3阶影响不大
我们再来看上导轴承
对横向模态的影响
随着上导轴承刚度系数的增加
1阶和3阶固有频率
有明显的上升
其中1阶的变化更大
而2阶为水轮机转轮的摆动振型
固有频率基本保持不变
也就是说
上导轴承的刚度系数
主要对轴系的发电机转子
和推力头部分有影响
而不对转轮部分起作用
接着分析下导轴承
对横向模态的影响
同样的
随着下导轴承刚度的增加
1阶和3阶固有频率明显增加
并且1阶增加的最快
而2阶临界转速基本保持不变
这与上导轴承
对轴系的影响是相似的
最后 我们再来看看
水导轴承对横向模态的影响
随着水导轴承刚度的增加
2阶临界转速的增幅非常明显
而1 3阶却基本保持不变
这是由于2阶振型
主要是转轮部分的摆动
因此受到水导轴承的影响最大
而发电机转子和推力头
受到的影响则很小
了解了横向振动
再来看垂向振动特性
这是轴系垂向振动的
前2阶模态计算结果
其中 1 阶振型表现为
轴系整体的上下刚性窜动
2阶振型表现为发电机转子
和水轮机转轮的
沿轴向伸缩运动
并且转轮的位移幅值要更大一些
最后则是轴系扭转振动的
前2阶模态
1 阶振型表现为
发电机转子的扭转
2 阶振型则表现为
水轮机转轮的扭转
轴系的动力特性
涉及到很多方面的因素
比如发电机转子的偏心运动
形成不均匀的定转子气隙
对转子产生不平衡磁拉力作用
本质上是电磁耦合问题
滑动轴承的油膜
产生巨大压力的同时
存在强烈的粘性摩擦
会产生大量的热量
引起油温升高
并且在瓦块内部
产生较大的温度梯度
从而产生显著的热弹变形
本质上是流固热三场耦合问题
而流体内部流体的粘性切应力
会引起流体温度升高
所以密封内部流动的本质
是流固耦合问题
水轮机转轮受到压力脉动等
瞬态激励力的影响产生振动
本质上是流固耦合的问题
这些物理场相互影响
相互干扰 相互耦合
形成了复杂的轴系振动特性
现阶段
越来越多的学者
已开始通过多场耦合的方法
来计算轴系的耦合特性
但是
由于受到数学模型和
计算能力的限制
轴系多场耦合的计算
实际上还很不完善
也是流体机械领域的
一个重要研究方向
本讲内容就讲到这
感谢大家
-1.1 流体机械定义
--Video
-1.2 流体机械分类
--Video
-1.3 水轮机工作过程概述
--Video
-1.4 泵与风机工作过程概述
--Video
-1.5 其他流体机械工作过程概述
--Video
-1.6 流体机械工程应用
--Video
-参考文献
--html
-第一讲习题--作业
-2.1 流体机械的主要性能参数
--Video
-2.2 转轮内部的典型流态
--Video
-2.3 速度三角形
--Video
-2.4 工况发生变化时速度三角形分析
--Video
-2.5 欧拉方程
--Video
-参考文献
--html
-第二讲习题--作业
-3.1 水轮机过流部件工作原理
--Video
-3.2 泵与风机过流部件工作原理
--Video
-3.3 机组能量传递过程与效率分析
--Video
-3.4例题分析
--Video
-参考文献
--html
-第三讲习题--作业
-4.1 空化的定义与分类
--Video
-4.2 空化余量与空化系数
--Video
-4.3 吸出高度与安装高程
--Video
-4.4 空蚀现象与类型
--Video
-4.5 空化空蚀的危害及防护
--Video
-参考文献
--html
-第四讲习题--作业
-5.1 泥沙磨损基本概念
--Video
-5.2 泥沙磨蚀基本概念
--Video
-5.3 流体机械磨损磨蚀现象
--Video
-5.4 流体机械常见抗磨措施
--Video
-5.5 腐蚀基本概念
--Video
-5.6 流体机械腐蚀现象及防腐措施
--Video
-参考文献
--html
-第五讲作业--作业
-6.1 流动相似概述
--Video
-6.2 常用相似准则数
--Video
-6.3 流体机械的相似准则分析
--Video
-6.4 流体机械单位参数与相似换算
--Video
--Video
--Video
-6.5 综合相似判别数——比转速
--Video
-6.6 相似准则的工程应用
--Video
-参考文献
--html
-第六讲作业--作业
-7.1 特性曲线概述
--Video
-7.2 模型试验
--Video
-7.3 典型模型机组综合特性曲线
--Video
-7.4 水轮机运转特性曲线
--Video
-7.5 水轮机的选型计算
--Video
-第七讲作业--作业
-8.1 流体机械多相多组分非定常流动概述
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-8.2 二次流动现象
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-8.3 动静干涉
--Video
-8.4 脱流
--Video
-8.5 间隙流动
--Video
-8.6 叶道涡
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-8.7 卡门涡
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-8.8 尾水管涡带
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-8.9 泵的旋转失速
--Video
-8.10 泵的喘振
--Video
-8.11 压力波传递与叠加
--Video
-参考文献
--html
-第八讲作业--作业
-9.1 流体机械四象限特性概述
--Video
-9.2 水泵水轮机全特性曲线
--Video
-9.3 水泵水轮机典型工况流动现象
--Video
-9.4 水泵水轮机调相运行工况流动现象
--Video
-9.5 双向潮汐机组复杂运行工况认识
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-参考文献
--html
-第九讲作业--作业
-10.1 流体机械在管网系统中的工作特性
--Video
-10.2 流体机械暂态运行过程
--Video
-10.3 调节系统与调速器
--Video
-10.4 改善流体机械暂态运行性能工程措施
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-参考文献
--html
-第十讲作业--作业
-11.1 流体机械多场耦合特性概述
--Video
-11.2 转轮流固耦合特性
--Video
-11.3 轴承热流固耦合特性
--Video
-11.4 轴系多场耦合特性
--Video
-参考文献
--html
-第十一讲作业--作业
-12.1 标准化概述
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-12.2 流体机械行业标准
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-12.3 水轮机型号
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-12.4 泵型号
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-12.5 风机型号
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-12.6 阀门型号
--Video
-12.7 流体机械工业流程
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-12.8 流体机械质量监督
--Video
-参考文献
--html
-第十二讲作业--作业
-13.1 空化、通（补）气、压力脉动与安装高程
--Video
-13.2 压力脉动与水锤
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-13.3 智能流体机械
--Video
-13.4 流体机械及工程学科知识体系与学术交流
--Video
