Forced Axial and Torsional Vibrations of a Shaft Line Using the Transfer Matrix Method Related to Solution Coefficients

This present paper deals with a mathematical description of linear axial and torsional vibrations. The normal and tangential stress tensor components produced by axial-torsional deformations and vibrations in the propeller and intermediate shafts, under the influence of propeller-induced static and variable hydrodynamic excitations are also studied. The transfer matrix method related to the constant coefficients of differential equation solutions is used. The advantage of the latter as compared with a well-known method of transfer matrix associated with state vector is the possibility of reducing the number of multiplied matrices when adjacent shaft segments have the same material properties and diameters. The results show that there is no risk of buckling and confirm that the strength of the shaft line depends on the value of the static tangential stresses which is the most important component of the stress tensor.

ON THE REPEATED NATURAL FREQUENCIES FOR TORSIONAL VIBRATION OF SHAFTS

To investigate the repeated frequency condition (RFC) for torsional vibration of shafts' system, the transfer matrix method was adopted. Firstly, the transfer relationship from the boundary to engaging disks of double shafts' system (DSS) was constructed. Secondly, the RFC of DSS was deduced out and the methods to select mode shape were presented. Finally, the relationship was extended to multilevel transmission system (MTS), and the RFC of this system was explored. The conclusions is this: 1) the necessary RFC requires the existence of joint engaging couple (JEC); 2) for DSS, the sufficient is the number of boundary transfer factors (f(B)) larger than 2; 3) the whale system can be split into independent groups, the total multiplicity is the sum of independent solution number of every group, the latter is the number of independent f(B), = 0 inside the group minus 1.

INVESTIGATION OF SIMULATION EXPERIMENT ON ACTIVE CONTROL OF TORSIONAL VIBRATION IN A TURBOGENERATOR SHAFT SYSTEM

According to the theoretical analysis and calculation on the base ofcontinuous mass system, the simulation experimental investigation on active control of torsionalvibration in a turbogenerator shaft system is conducted. A test installation with the excitation ofgenerator motor and multi-stepped shaft system is established to simulate the torsional vibration ofa turbogenerator rotor shaft system, and to examine the active control strategy presented. Someuseful results are reached in the experimental study.

TORSIONAL OSCILLATION CHARACTERISTICS OF ROTARY SHAFTS BASED ON TORSION AND BENDING COUPLED VIBRATION

The torsional oscillation characteristics on the bending and torsioh coupled vibration of rotary shaft system were investigated using the elasto-dynamic theory and other mathematic methods, such as difference approach, Fourier transform, and wavelet transform. It is concluded that mass eccentricity and other exciting modalities affect the bending and torsion coupled vibration of rotary shafts. Torsional vibration caused by bending vibration features linearity along with the change of amplitude of bending vibration. Meanwhile, energy spectrum concentrates on high frequency area with the wavelet analysis.

大型发电机高频轴系扭振下PSS附加阻尼特性仿真研究

从发电机Heffron-Philips模型出发,分析发电机及励磁系统在涵盖有功低频振荡和轴系扭振在内的0.1~40Hz范围内无补偿相频特性,同时给出电力系统稳定器模型(PSS-1A、PSS-2B和PSS-NB)在0.1~40Hz的相频特性,并从理论上分析其在大型发电机组发生高频轴系扭振时的阻尼特性,最后通过一个高频零阻尼RTDS仿真系统进行验证。

考虑轴系特性的汽轮发电机阻抗模型

与状态空间法和复转矩系数法相比,基于阻抗的分析方法更便于拓扑扩展和黑盒系统建模。然而,现有的汽轮发电机阻抗模型,如RL串联阻抗模型或同步发电机等效电路阻抗模型,仅关注汽轮发电机的电气特性。上述简化的阻抗模型无法考虑汽轮发电机轴系特性的影响,甚至导致错误的分析结果。针对这一问题,该文建立了考虑轴系特性的汽轮发电机阻抗模型,并以风火打捆外送系统为研究对象,对比了基于RL等效阻抗模型和所建立阻抗模型的振荡分析结果。验证了所建立模型在含有新能源以及电力电子设备的电力系统中进行稳定性分析的适用性与准确性。研究结果可为含汽轮发电机的复杂结构电力系统的稳定性分析提供模型。

基于惯性传感器的输电塔振动特性分析

为有效控制输电塔的有害振动需要了解其振动特性,提出一种惯性测量数据矩阵模式的输电塔振动分析方法。将微惯性测量单元(Micro-Inertia-Measurement-Unit,MIMU)安装在输电塔上通过Kalman滤波预处理三轴原始数据,重构权重奇异值分解(Weighted Singular Value Decomposition,WSVD)后的相干振动分量建立平动/扭动矩阵。提取矩阵序列中的变换矩阵,计算其Frobenius范数度量暂态振动间的变异度来估计幅值与频率。根据幅频参数计算振动耗能,观测输电塔各轴向以及整体的振动情况。最后设计振动台、转台实验验证振动数据处理方法的有效性,并对不同风荷载下的塔线模型与真型风振试验进行特性分析。结果表明输电塔振动以水平方向的平动形式为主,随风向夹角的增大其非线性效应逐渐增强,所提出的数据处理方法能够有效获得振动信息,可为控制有害振动的阻尼器的设计提供参考。

基于VMD-XGBoost模型及因果特征选取的汽轮发电机组振动信号预测技术研究

“双碳”目标下,我国能源格局产生深刻变化,对汽轮机发电机安全稳定运行的要求进一步提高,深入挖掘分析海量运行数据有助于机组运行状态的评估及预测。提出构建汽轮发电机组参数因果关系网络探究参数间的因果关系,利用VMD算法分解振动信号并搭建XGBoost预测模型对各信号分量进行预测,叠加各信号分量的预测值以得到振动信号的预测结果。利用国内某1000MW汽轮发电机组运行数据对所提模型进行论证实验,结果表明本文所提模型有较高预测精度。

双燃料低速发动机推进轴系扭转振动特性

以某滚装船双燃料发动机及动力系统为例,研究在燃油、双燃料模式下扭转振动激励力矩的差异及其对于发动机扭振响应的影响,分析推进轴系的扭转振动特性,并对扭振测试结果进行分析。研究结果表明:在燃油与天然气双燃料模式下,后者的扭振激励力矩较大;在燃油与天然气双燃料模式下,虽然曲轴扭振应力变化不大,发动机、推进轴段、发电机转子扭振响应均发生显著的变化。

短路冲击下的船用柴油机瞬态扭振特性分析

[目的]为提出船用柴油发电机组的轴系扭振参数优化方案,需分析其在短路冲击下的瞬态扭转振动特性。[方法]采用Newmark法,以某型20 V柴油发电机组的短路冲击工况为例,对比不同轴系参数对轴系瞬态扭振特性的影响规律,进而基于参数优化结果来确定新的机组减振器刚度与联轴器刚度选配方案。[结果]研究结果表明:发生短路冲击时,轴系扭振特性将显著恶化;经优化之后(将扭振减振器刚度、联轴器刚度分别优选为原始值的0.9和0.70倍),短路冲击工况下的电机轴瞬时最大附加应力、联轴器瞬时最大扭矩、曲轴各轴段瞬时最大应力分别降低了13.43%,10.51%,5.29%。[结论]该参数优化方案可以有效降低轴系的瞬态扭振水平,研究成果可为柴油发电机组的减振降噪设计提供参考。

调谐质量阻尼器和非线性能量阱抑制内燃机闭环轴系扭转振动的比较研究

传统线性减振器在抑制内燃机轴系的扭转振动方面有着长期的应用,但较窄的减振带宽限制了其性能的发挥.考虑到内燃机闭环轴系的周期性激振力随转速的变化而变化,其在相对较宽的频率域内实现高效的减振十分必要.为了探究非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)替代调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)抑制曲轴扭转振动的可行性,文章将建立曲轴的多惯量非线性闭环自激耦合振荡模型,在此基础上,研究TMD和NES对闭环曲轴扭振减振的影响规律.分析过程综合考虑了轴系不同轴段位置的瞬态和稳态扭转振动.除此之外,定义了振动密度,性能领先效率和波动率3种函数综合考虑不同动力吸振器(dynamic vibration absorber,DVA)的性能优劣.讨论了NES和TMD在不同的设计参数下(变刚度、变阻尼和变位置排布)的减振效率和鲁棒性.结果表明,NES和TMD控制曲轴扭振时具有不同的刚度及阻尼失效区间.随着设计参数的变化,NES和TMD的减振性能交替领先,NES的综合性能领先了24.5%,TMD的综合性能领先了3.3%.同时,NES具有较高的阻尼依赖性(13.6%),TMD具有较高的刚度(3.6%)及位置依赖性(25.6%).

基于动刚度法的水面船舶桨-轴-船体耦合系统

为分析在低频段内船体两侧螺旋桨激励相位差对船体振动的影响,基于动刚度法建立水面船舶桨-轴-船体耦合系统的横向振动3梁耦合模型。将动刚度法的计算结果与有限元法进行对比,表明动刚度法具有良好的精度。分析桨-轴-船体耦合系统的垂向固有振动特性。在低频段内该系统主要表现为船体梁的振动,推进轴系对船体梁的固有特性影响较小。对左右双桨分别施加不同相位差的单位垂向简谐力,计算由各轴承位置输入至船体梁的功率流。结果表明,双桨激励相位差的增大会使输入至船体梁的功率流变小。因此,在对桨-轴-船体耦合系统的横向振动控制方面,应重点关注双桨激励相位差较大时的工况。

离心式压缩机组轴电流故障分析与应对措施

部分离心式压缩机组在运行过程中产生了轴电流,轴电流对运行机组的振动监测有一定的影响,同时对轴瓦及轴颈有一定的腐蚀破坏作用。基于此,通过一系列的现象分析,找出故障原因,结合故障原因得出了相应的处理措施,以消除轴电流对振动监测的影响,以及对轴颈和轴瓦的破坏作用。

基于模式阻尼法的风火打捆系统次同步扭振分析

针对风电机组风火打捆系统的次同步振荡问题,以双馈风电场接入火电机组串补系统为研究对象,在双馈风电场不引发次同步振荡的情况下,基于模式阻尼法定量分析不同控制参数、运行工况、并网机组数量的双馈风电场接入前后火电机组轴系扭振作用。研究结果显示双馈风电场的接入使得火电机组各轴系扭振模式的衰减系数均减小,有利于缓解火电机组的轴系扭振。构建EMTDC/PSCAD仿真算例系统,检验了理论分析结果的确切性。

往复式天然气压缩机主驱动电机轴裂纹分析

针对往复式天然气压缩机主驱动电机轴裂纹故障进行了失效分析,通过对该压缩机组在故障前的运行工况分析、扭振分析复核、外观分析、裂纹电镜扫描分析、金相分析、机械性能分析、化学分析等找出了引起电机轴产生裂纹的原因。分析结果表明:电机轴表面存在一层厚度1.7 mm左右的堆焊层,该电机轴表面的堆焊层是引起本次压缩机主驱动电机轴产生裂纹的直接原因。

Fretting instability characteristics for gear shaft shoulder

In order to solve fretting instability problem of gear shaft shoulder due to torsional vibration in mechanical system, the mathematical model of fretting instability vibration of gear shaft shoulder was established by adopting the method of combining kinematics and tribology, and the numerical analysis was applied to the fretting instability mechanism of gear shaft shoulder by introducing the friction instability damping ratio. The numerical results show that the main factors causing the unstable and vibrating gear shaft shoulder are the large tightening torque and too large static friction coefficient. The reasonable values of the static friction coefficient, the amount of interference and tightening torque can effectively mitigate the fretting instability phenomenon of gear shaft shoulder. The experimental results verify that damping plays a significant role in eliminating the vibration of gear shaft control system.

风火打捆经LCC-HVDC送出系统的次同步扭振分析

近年来,风能资源大力发展,风火打捆经直流送出成为中国目前及未来开发和利用的主要方式,风电机群和高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)对同步发电机组(synchronous generator,SG)轴系扭振各模态电气阻尼的影响规律有待深入研究。针对直驱风电机群、火电机组和直流输电,建立了系统的线性化模型,分析了接入设备对火电机组电气阻尼的交互耦合关系和风火打捆经直流送出系统中火电机组轴系扭振的机理。基于复转矩系数法,研究了风电机群运行风速、控制参数和直流输电输送功率、控制参数等因素对同步发电机组电气阻尼系数的影响。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建风火打捆经直流送出系统的时域仿真模型,通过时域仿真和时频分析,验证了电气阻尼系数分析结果的有效性。

含故障受油器机组转子-转轮系统振动特性分析

灯泡贯流式机组实际运行中,转子-转轮系统受各外激励影响易形成旋转部件与固定部件间的碰摩故障,极大影响机组的安全稳定运行。针对含故障受油器部件的灯泡贯流式机组轴系碰摩问题,构建转子处复合偏心影响下不平衡磁拉力模型,建立了多振源激励下含故障受油器灯泡贯流式机组受油器-转子-转轮耦合振动模型,对比分析了有无故障受油器系统弯扭耦合状态下振动特性的差异,对系统在励磁电流、转子质量偏心及转轮质量偏心变化时各自的非线性振动特性进行了讨论。结果表明:故障受油器的出现加大了转子、转轮非稳态运动范围,使系统产生不利振动进而引发故障;同运行工况及参数状态下的转子相较转轮表现出更大振幅强度,需引起重视。扭转自由度的加入加剧了转子振幅,增加了碰摩故障发生概率。此外,当转轮质量偏心发展到一定程度后,叶片处存在的不确定随机水力将使系统发生失稳现象。研究结果可为灯泡贯流式机组安全运行及稳定性分析提供有益借鉴。

受油器故障激励下转子—轴承—转轮系统稳定性研究

灯泡贯流式机组旋转部件与固定部件碰摩故障将极大影响机组的安全稳定运行。针对含故障受油器部件的灯泡贯流式机组轴系碰摩系统,建立了多振源激励下含故障受油器灯泡贯流式机组转子—转轮弯扭耦合振动模型及其运动微分方程。利用Floquet理论讨论了系统周期解稳定性。结果表明,故障受油器的出现从加剧系统失稳可能及更迭稳态与非稳态频次切换层面显著改变了系统动态特性,加剧了系统非稳态运行范围,需引起足够重视。研究结果可为灯泡贯流式机组安全运行及稳定性分析提供借鉴。

风电机组换流器控制参数变化下风火打捆系统特性分析

建立了风火打捆直流送出系统的机电网统一模型,并对风电机组换流器控制参数影响下的输电系统特性与机组轴系扭振进行分析。运用以变分模态分解和希尔伯特变换相结合的方法,对汽轮发电机组和风力发电机组轴系扭振进行了时频分析。研究了风电接入时,汽轮发电机组与风电机组轴系扭振的响应,以及输电系统的电气响应及其特性。扭振时域图、幅值谱图、时频图和三维谱图,揭示了风电机组转子侧换流器控制参数对轴系扭振特性的影响。研究结果表明,内环增益系数以及外环增益系数增大时,汽轮机组轴系扭振更加剧烈,但对于风力发电机组轴系扭振与风火打捆输电系统的电气响应影响较小。分析结果可为风火打捆系统次同步振荡的抑制和风电机组控制系统设计提供理论参考。