大型汽轮发电机的若干力学问题

本文对大型火力发电设备中的汽轮发电机设计与制造及运行中的若干力学问题作一简要的评述.列举了下述题目:(1)转子及轴系的振动问题;(2)定子铁芯及其支撑力学;(3)定子绕组端部振动问题;(4)发电机转子护环的强度;(5)发电机整机静动态力学特性与响应;(6)大件运输中的力学问题.     

轧钢厂大型电机的振动测量及其减振措施

一、前言1966年哈尔滨电机厂为轧钢厂生产四台大型交直流发电机组,转速为500转/分,分别安装在各个钢铁公司的轧钢厂。运行到现在,在小负荷轧钢时,这四台机组运行正常,但当负荷加大时,直流发电机定子壳体发生较大的径向振动,每轧一次钢,振动持续2至4秒钟,电刷打火严重,轧钢负荷电流不得不因此而下降,例如在某钢厂的轧钢负荷电流从12000安培下降到9000安培,严重影响了轧钢产量,因此有必要消除或减小这种振动。      

水轮发电机转子偏心引起的非线性电磁振动

由于机械和电磁相互耦合,水轮发电机的电磁振动具有强非线性特征。根据不平衡磁拉力与转子偏心的非线性函数关系,通过简化的各向同性的单圆盘转子系统,建立了水轮发电机转子电磁振动的非线性系统。利用非线性振动理论的多尺度方法,从理论上分析了该系统强迫振动的稳态响应,进而研究了水轮发电机转子偏心引起的电磁振动。研究发现不平衡磁拉力使系统的涡动频率下降,使运动的中心发生变化;并且会引起两倍转频的振动。最后用模型转子仿真试验的结果验证了这些理论分析的结论。     

MEMS系统中微平板结构声振耦合性能研究

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS) 是指内部微结构尺寸在微米甚至纳米量级的微电子机械装置,是一个独立的智能系统. 长宽厚均处于微米量级的微平板为MEMS 中的典型结构,其声学和力学特性直接影响MEMS 的性能. 针对同时受声压激励和气膜力(通过考虑相同尺寸微平板振动引入) 作用的四边简支微平板结构,应用Cosserat 理论和Hamilton 原理,建立了考虑微尺度效应(本征长度和Knudsen 数)影响的声振耦合理论模型,并通过多重Fourier 展开法求解了耦合方程,得到了系统的传声损失结果. 通过频域分析,考虑微平板的不同振动频率、振动幅度和板间距,系统研究了不同尺度效应下微结构中气体薄膜所产生的阻尼力对微平板结构传声特性的影响. 研究发现尺度效应对于微结构的声振特性影响巨大,振动行为对微结构的传声特性也有很大影响,控制并减小微平板的振动幅度以及增大微平板的间距都能够提高微平板的声振性能. 研究结果为MEMS 中微平板的稳定性优化设计提供了理论参考.      

利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获研究新进展

环境中的流体 (包括气体和液体) 动能是十分丰富且重要的清洁能源之一, 流体能量可通过不同的能量俘获技术 (电磁发电技术、压电能量俘获技术) 被转化为电能并供人们使用. 自2012年王中林研究团队发明摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 以来, TENG已成为了最重要的能量, 俘获技术之一, 并应用于流体能量俘获研究中. 论文综述了当前用于流体能量俘获的摩擦纳米发电机 (fluidic energy harvesting TENG, FEH-TENG) 的研究现状. 介绍了 FEH-TENG 中摩擦电材料之间的电荷转移原理以及基本的工作模式. 在气流动能俘获方面, 流致振动 (如涡激振动、驰振、颤振和尾流驰振等)是一种有效的将流体动力转化为机械能的物理机制, 基于该机制, 总结了FEH-TENG在风能和流致振动能量俘获中的研究进展以及各类能量俘获结构. 液体动能俘获方面总结了 FEH-TENG 在波浪和雨滴能量俘获中的研究进展. 介绍了基于 FEH-TENG的混合能量俘获系统和摩擦电材料优化在提升FEH-TENG流体能量俘获效率方面的研究. 接着介绍了FEH-TENG在不同领域中的应用. 最后讨论了目前 FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了一些展望. 论文工作有助于推动FEH-TENG在流体能量俘获领域的发展以及促进相关研究人员对该领域的认识.      

水力机组紧急停机过程轴系振动仿真分析

水力机组因事故进入紧急停机过程时,机组转速急剧上升然后逐渐减速,轴系振动幅度产生较大变化,可能诱发轴系破坏.论文基于已建立的水力机组轴系暂态计算模型,构建完整的水力机组仿真系统,研究在机组紧急停机暂态过程中,机组角速度的变化与轴承刚度、轴系阻尼系数之间的关系,以及轴系参数对发电机转子和水轮机转轮振动幅度的影响.仿真表明,发电机转子和水轮机转轮振动幅度与机组转速变化趋势一致,在最大转速时振幅达到最大,建议将该点作为安全校核点.     

汽轮发电机定子结构的动力分析和模型试验研究

本文用有限元方法分析了两种常见汽轮发电机定子结构模型的动力特性,建立了固有特性对集中质量、连接刚度及基础刚度的灵敏度分析方法,对这两种结构模型进行了振动实验研究,实验结果与有限元分析结果吻合较好.从避开共振的角度出发,对两种结构作了评价.本文的研究方法及实验结果对汽轮发电机结构设计、减振、隔振和降噪等方面的工作具有一定的参考价值和实际工程意义.     

THERMOELASTIC VIBRATION OF FLUID-CONVEYING MICROTUBES EMBEDDED IN ELASTIC MEDIUMS

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

电磁力作用下发电机定子端部绕组的两自由度主共振

对压板松动时大型汽轮发电机定子端部单根绕组的两自由度主共振问题进行了研究．在给出定子端部绕组区域磁感应强度表达式、绕组所受电磁力以及与松动压板间摩擦力计算式的基础上,建立了研究绕组非线性电磁振动的力学分析模型．采用多尺度法对两自由度主、内共振问题进行求解,得到了稳态运动下的幅频响应方程和解的稳定性判定条件．通过算例,得到了反应系统跳跃现象和软硬特性的幅频响应曲线图,以及响应图、相图、Poincare映射图和频谱图,并阐述了系统可能存在的周期运动和锁模现象。     

两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

目前细长柔性圆柱体涡激振动响应的研究方法主要包括实验方法、计算流体动力学方法以及半经验模型方法. 鉴于实验方法研究成本较高、计算流体动力学方法计算时间较长,本文基于尾流振子模型对线性剪切来流下两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了半经验模型方法研究. 先建立了柔性圆柱体结构振子以及尾流振子之间的耦合模型,紧接着基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解. 对不同剪切参数下柔性圆柱体涡激振动响应的振动波长、振动频率、振动位移以及响应频率随时间的变化特性等参数进行了分析. 分析结果表明:圆柱体的涡激振动响应由驻波和行波混合组成. 当无量纲弯曲刚度较小时,在圆柱体两端附近,驻波占主导;而在圆柱体中间段附近,行波占主导. 当无量纲弯曲刚度较大时,在圆柱体整个长度区间上均为驻波占主导. 随着剪切参数的增大,振动位移以及振动波长均逐渐减小,而振动频率和频率带宽均逐渐增大.      

两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

目前细长柔性圆柱体涡激振动响应的研究方法主要包括实验方法、计算流体动力学方法以及半经验模型方法.鉴于实验方法研究成本较高、计算流体动力学方法计算时间较长,本文基于尾流振子模型对线性剪切来流下两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了半经验模型方法研究.先建立了柔性圆柱体结构振子以及尾流振子之间的耦合模型,紧接着基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解.对不同剪切参数下柔性圆柱体涡激振动响应的振动波长、振动频率、振动位移以及响应频率随时间的变化特性等参数进行了分析.分析结果表明:圆柱体的涡激振动响应由驻波和行波混合组成.当无量纲弯曲刚度较小时,在圆柱体两端附近,驻波占主导;而在圆柱体中间段附近,行波占主导.当无量纲弯曲刚度较大时,在圆柱体整个长度区间上均为驻波占主导.随着剪切参数的增大,振动位移以及振动波长均逐渐减小,而振动频率和频率带宽均逐渐增大.     

车-钢桥面铺装耦合振动系统动力效应分析

为研究行车车速、桥面的不平度和桥面损伤对车-桥面铺装耦合振动系统动力效应的影响规律,将汽车等效为两自由度五参数模型,将正交异性桥面铺装等效为梁-板结构.在车辆与桥面铺装接触点采用接触力和位移协调的条件,建立车辆和桥面铺装动力耦合系统模型和振动方程组.利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法-状态空间法,借助大型有限元软件ANSYS和MATLAB编程技术,求解车-钢桥面铺装耦合振动系统的动力响应.分析由桥面铺装的不平度、车速以及桥面损伤等引起的行驶车辆的随机动荷载对桥面铺装冲击系数的影响,并考虑桥面的不平整将车辆荷载简化成沿铺装层表面的随机动荷载和车辆荷载简化成沿铺装层表面纵向移动的恒载两种加载方式的分析结果进行比较.研究结果表明,在进行铺装层结构设计计算以及复合梁疲劳试验时,可考虑冲击系数为1.5.     

大型液体火箭姿控与跷振大回路耦合动力学建模与分析

大型液体火箭结构模态的空间化分布特征导致结构振动、姿态运动和推进系统液路脉动存在相互耦合,进而影响传统姿控回路的稳定性. 针对大型液体火箭, 充分考虑姿态控制系统对箭体姿态动力学和弹性振动的影响, 以及箭体结构弹性振动与推进系统的耦合作用(跷振(POGO)), 建立了姿控与跷振大回路耦合模型. 该模型包含了推进系统、结构系统与姿控系统之间的耦合因素, 可进行姿控-结构-推进大回路耦合机理研究. 该模型具有非奇异的优点, 可以直接用于频域分析和时域仿真. 基于该模型研究了我国某型号液体捆绑火箭推进系统参数——泵增益和蓄压器能量值对姿态运动与结构振动稳定性的影响. 研究得出, 泵增益和蓄压器能量值的变化不仅导致了结构振动的不稳定, 而且也导致了姿态运动的发散. 因此, 对于大型液体捆绑火箭, 推进系统与姿控系统之间存在不可忽略的耦合作用, 在设计姿控系统时, 有必要考虑推进系统对姿控系统稳定性的影响.      

突扩管流中微米颗粒分离效率的研究

助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了突扩微尺度管道流中微米颗粒的分离情况. 在采用有限体积法求解电荷密度场、电场和流场的基础上,通过基于改进的Langevin方程研究了微管道中不同位置处的微米颗粒在水动力和介电电泳力综合作用下的运动轨迹. 研究发现:电渗流的驱动能力随着扩张比(ER)的增加而提高,然而其提高的趋势逐渐变小;当微米颗粒仅在水动力作用下时,随着ER的增加,颗粒之间的有效分离距离(ESL)随之线性增加,此时ESL与ER的比值约为5.9; 若是考虑介电电泳力对于微米颗粒运动的影响, ESL与ER的比值下降为4.79, 由此可以看出介电电泳力对突扩微管道流中的微米颗粒的分离效果有着一定的负面影响. 上述结论对于基于介电电泳技术设计的生物粒子分离芯片的优化设计有很大价值.      

基于涡激振动的压电风能收集器研究进展

近年来,随着物联网、无线传感器网络和便携式医疗设备的迅速发展,如何为这些独立设备提供可靠、清洁和自给的能源成为其发展的关键.传统的化学电池不仅寿命有限,而且庞大的电池数量带来了高昂的维护成本,废弃后的电池还会给环境保护带来更大的负担.自然环境中风能分布广泛、储藏量大且无污染,是绿色可再生能源.将风能转换为电能是目前能源利用的重点.然而,涡轮风力发电机投资巨大、对风场要求高、占地面积大、维修困难,同时产生的噪声和生态问题日益突出.目前,如何利用新材料和简单结构实现低速风能的高效收集正在成为国内外研究的热点.基于涡激振动的微型风能收集器是目前较为有效的风能收集技术之一,有望实现分散分布的无线传感器自供电.文章从涡激振动能量收集器的工作原理、研究进展、效率提升方法等方面综述了涡激振动能量收集器的研究现状.着重讨论了钝体形态优化、非线性特性引入、多风向风能收集结构设计和混合风能收集器设计等增强方案对涡激振动风能收集器性能的影响,为高性能涡激振动能量收集器的设计提供参考.最后,对涡激振动风能收集器面临的关键问题与难点进行了分析和总结,并对今后的研究方向和未来的发展前景进行了展望.     

智能桁架结构最速自抗扰振动控制研究

研究新型实用的非线性自抗扰控制技术,在大型空间智能桁架结构主动振动控制中的应用.自抗扰控制技术的主要特性是采用扩张状态观测器对系统建模、未建模动态和外扰进行实时估计,并在控制信号中补偿掉,实现非线性不确定对象的动态补偿线性化.首先,基于动态补偿线性化的思想,对多变量耦合的非线性智能桁架结构的数学模型进行解耦;然后,采用扩张状态观测器和离散最速控制综合函数提出了一种新颖的最速自抗扰振动控制器.最后,对空间102杆压电智能桁架结构进行了最速自抗扰振动控制仿真研究.结果表明:本文提出的最速自抗扰振动控制器较好地解决了振动控制的准确性和快速性之间的矛盾,可有效地用于大型空间智能桁架结构的主动振动控制.     

核电厂安全壳施工和运行阶段应力分析

核反应堆安全壳是确保核电厂安全的关键设施,同时也是防止放射性物质扩散的最后一道屏障.基于法国电力集团(EDF)进行的缩尺比例为1/3的无钢衬里安全壳Benchmark试验模型,应用大型通用有限元软件ABAQUS建立了其有限元模型.有限元模型中混凝土、普通钢筋和预应力筋采用分离式建模;通过在预应力筋单元上加预拉应力的方法考虑了预拉应力的作用.分析了该有限元模型在预应力张拉过程以及0.52MPa的绝对内压下的受力性能,重点研究了模型穹顶和圆柱形筒壁的内外表面在这两种工况下的拉应力分布.分析表明,该安全壳模型在两种工况下基本处于受压状态,拉应力集中的区域是预应力筋分布稀疏或预应力值较小的区域,预应力筋良好的起到了防止混凝土受拉的作用,能够满足设计要求;危险部位是穹顶与环梁连接处、洞口周边、筒壁底部、筒壁和基础底板相接处.     

欧拉-伯努利梁运动场的正交性及其能量传导特性分析

从无阻尼欧拉—伯努利梁振动方程解析解出发, 推导了有限长梁的关于谱系数的时间—空间平均能量和功率流表达式. 在此基础上, 从泛函分析观点, 探讨了弯曲运动场: 衰减振动、行波模式分解关于能量、功率泛函的正交性. 结果表明: 弯曲衰减振动模式和行波模式关于功率流、机械能时间—空间平均是相互独立的, 即关于场能和场功率互不干涉, 满足叠加原理; 衰减振动场导能与行波场导能的重要区别在于功率流关于右、左衰振动模式分解不满足叠加原理, 即弯曲衰减振动场间的相互"干涉"是使其具有能量传导能力的内在原因. 通过右端集中阻尼器支撑的梁的稳态功率流仿真分析计算, 表明低频区振动导能不可忽略, 同时, 衰减振动场和行波场间存在一定的能量交换现象, 但随着频率升高, 振动场传导能量不断下降, 同时能量传导效率也不断下降.      

两自由度分段线性振动系统的一种解法

在多种类型的机械中,其振动原理可简化为两个自由度分段线性系统,如:双质量非线性共振筛、卧式振动离心脱水机、双质量非线性离心摇床,以及带有扭振减振器和弹性联轴器的高速大功率柴油机的扭振系统等.很多研究工作者都将该类系统线性化后进行振动理论分析.文献对一个自由度分段线性的非线性系统进行了详细研究,文献     

纳米PTFE粒子复合Ni-P化学镀层的摩擦学行为

采用化学镀在Q235钢基材上制备了纳米和微米PTFE粒子的Ni-P/PTFE复合镀层.用球盘式摩擦磨损试验机研究了镀层摩擦系数与PTFE体积百分数的关系以及具有最小摩擦系数镀层的承载能力.结果表明:纳米和微米复合镀层均在PTFE的体积含量约26%时出现最佳的减摩效果,摩擦系数为0.11-0.15.纳米粒子复合镀层的摩擦系数与磨损量在较低载荷下与微米粒子复合镀层接近,但其承载能力远优于微米粒子复合镀层,两者临界载荷之比约为3.5.