[发明专利]一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法

说明书

本发明公开了一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，包括：建立水轮发电机有限元模型和抽水蓄能机组全流道水体模型，分别进行瞬态电磁场仿真和瞬态流场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布；将定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布转化为瞬态激励，将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线；对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。本发明获得精度更高且更加贴近工程实际的寿命分析结果。

技术领域

本发明属于抽水蓄能电站的多场耦合仿真与寿命分析技术领域，更具体地，涉及一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法。

背景技术

随着发电机组容量和尺寸的逐步增大，水头和比转速的提高，机组振动和疲劳寿命问题也越来越突出，对水轮发电机组主轴等系统的全面分析也越来越迫切。抽水蓄能电站水轮发电机组振动与疲劳问题是复杂的水-机-电耦合问题，机组振动受机械系统、电力系统、水力系统共同作用，且各系统之间动态特性相互影响，并最终影响各部件的疲劳寿命。

现阶段对抽水蓄能电站机组的结构性能研究主要集中在主轴部分，基本方法是建立机组轴系的动力学模型，研究轴系的不平衡响应与平衡技术为机组动力学分析与设计提供理论参考依据。但对抽水蓄能机组整体的机构的研究较少，同时对各零部件的疲劳寿命分析尚处于研究初级阶段。现有针对机组轴系零部件疲劳寿命仿真多是以试验测定应力值或理论计算应力值为激励进行轴系寿命分析。其中试验测定法往往受制于条件限制难以实现，而理论计算应力法精度较差且无法考虑实际工况中多场相互耦合的工况，难以贴合工程实际。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，由此解决现有技术存在受制于条件限制难以实现试验测定、理论计算应力法精度较差且无法考虑实际工况中多场相互耦合的工况，难以贴合工程实际的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于水机电耦合模型的抽水蓄能机组寿命分析方法，包括：

(1)建立水轮发电机有限元模型，对水轮发电机有限元模型进行瞬态电磁场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度；建立抽水蓄能机组全流道水体模型，对抽水蓄能机组全流道水体模型进行瞬态流场仿真，得到全流道流场内部压力分布与速度分布；

(2)建立抽水蓄能电站轴系有限元模型，将定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度、全流道流场内部压力分布与速度分布转化为瞬态激励，将瞬态激励作用于抽水蓄能电站轴系有限元模型后进行瞬态动力学仿真，得到轴系的应力应变变化云图和应力变化曲线；

(3)对应力变化曲线进行统计分析，得到载荷谱，利用载荷谱进行疲劳计算，得到抽水蓄能机组疲劳寿命。

进一步地，步骤(1)包括：

(1-1)利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和运行参数建立水轮发电机有限元模型，在水轮发电机有限元模型的转子部分建立圆形band计算域，将水轮发电机有限元模型的定子外测边界设置为Vector Potential边界，设置水轮发电机有限元模型的转子线圈为额定励磁电流激励，以水轮发电机有限元模型的定子外径为圆形band计算域的边界，对水轮发电机有限元模型进行瞬态电磁场仿真，得到水轮发电机的定转子气隙间的电磁场分布和电磁力密度；

(1-2)利用水轮发电机各部件的材料、尺寸和水力参数建立各过流部件的三维几何模型，通过布尔运算构造各过流部件的流体域模型，结合各过流部件的三维几何模型和流体域模型，得到各过流部件的水体模型，将各过流部件的水体模型组合成抽水蓄能机组全流道水体模型；