一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法技术

一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，根据抽水蓄能电厂提供实际不同运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，得到发电电动机转子鸽尾部在发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下离心力所引起的应力随时间变化的分布情况；将由电磁损耗引起的电机温度变化，而由此产生的热应力与离心力引起的应力分布进行矢量求和，得到总应力分布；将已运行m年的发电电动机实际各种工况发生次数，及各种工况下疲劳寿命使用次数代入Miner准则计算公式，根据寿命预测系数及实际运行时间年数m计算得到该发电电动机转子鸽尾部的疲劳寿命使用年限。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，涉及抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测领域。
技术介绍
抽水蓄能发电电动机有发电和电动两种主要工况，其转速高，单机容量大，且机组启停频繁、转子存在正反转情况，运行工况复杂，运行环境较一般水轮发电机更恶劣，同时随着抽水蓄能电站运行年限的增长，使得发电电动机的故障和事故频发，安全稳定问题日益突出。 目前对于抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测的研究较少，由于发电电动机存在发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况，各种工况对转子鸽尾部的综合作用形成应力载荷谱作为累积疲劳分析的载荷，再结合一定的计算准则进行疲劳寿命预测。已有研究方法是通过静力学计算得到每种工况的最大应力分布，再将其作为载荷进行疲劳寿命预测，这种方法无法反映出应力分布随时间变化的情况。此外，也没有通过计算准则对抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部进行疲劳寿命预测的研究。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，根据抽水蓄能电厂提供实际不同运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算得到不同工况下离心力所引起的应力随时间变化的分布情况，并结合热应力的作用，分别对各种工况单独进行疲劳寿命使用次数计算，根据已运行m年的发电电动机各种工况实际发生次数，应用Miner准则，实现了考虑各种工况共同影响的累积疲劳寿命预测。 本专利技术所采用的技术方案是：一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，包括以 下步骤：1)、根据抽水蓄能电厂提供实际运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算，分别得到发电电动机转子鸽尾部在发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下离心力所引起的应力随时间变化的分布情况； 2)、由电磁损耗引起电机的温度变化，而由此产生的热应力与离心力引起的应力进行矢量求和； 3)、根据发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下的总应力分布情况，绘制在不同工况时最容易出现疲劳破坏点处的应力随时间变化曲线，并根据曲线计算此处可使用的疲劳寿命次数； 4)、将已运行m年的发电电动机实际各种工况发生次数，及各种工况下疲劳寿命使用次数代入Miner准则计算公式，可得到寿命预测系数，并根据寿命预测系数及已知运行年数m计算得到该发电电动机转子鸽尾部的累积疲劳寿命使用年限。一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，包括以下步骤： 步骤1)：建立电机1/2周期模型，采用有限元法进行电磁场-温度场-结构场耦合数值计算，通过对电磁场控制方程(1)-(3)和温度场控制方程(4)(5)进行有限元数值计算得到由电磁损耗引起的温度稳态分布，再由温度相比初始温度的变化对方程(6)进行求解得到热应力分布情况；式中，V1是涡流区(转子绕组)，V2为源电流区(定子绕组)，σ为电导率，μ为相对磁导率，为源电流密度，Q为电磁损耗(包括源电流及涡流引起的损耗)。式中，Q为能量损耗；kx,ky,kz分别表示热导率的各向异性参数；h为传热系数；T为求解温度；T0为环境温度。 式中，i,j,k＝1,2,3；εij为应变张量；σij为应力张量；σij,j为应力张量对坐标的偏导数；E为弹性模量；ν为泊松比；β为热膨胀系数；ΔT为温度相比初始温度的变化量；Fi为外力的分量；ui,j为位移对坐标的偏导数；δij为应力因子，i＝j时为1，i≠j时为0。步骤2)：根据抽水蓄能电厂提供实际发电启动运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到发电启动工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力； 式中，ρ为密度，ui为位移，其余参数与公式(6)相同。 步骤3)：根据抽水蓄能电厂提供实际发电停机运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到发电停机工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力； 步骤4)：根据抽水蓄能电厂提供实际电动启动运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到电动启动工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力； 步骤5)：根据抽水蓄能电厂提供实际电动停机运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到电动停机工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力； 步骤6)：根据抽水蓄能电厂提供实际甩负荷运行工况下的转子速度曲线得到加速度分 布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到甩负荷工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力；步骤7)：根据抽水蓄能电厂提供实际飞逸运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到飞逸工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力； 步骤8)：根据步骤2)计算得到的发电启动工况时转子3号鸽尾B点(如图2所示)处应力分布曲线，由公式(8)计算出在此种工况运行情况下可使用的疲劳寿命次数N1； 式中：C和a为材料疲劳系数；σmax为总应力变化曲线中的最大值；σmin为总应力变化曲线中的最小值；Kσ，εσ，βσ和ψa分别为有效应力集中系数、零件尺寸系数、表面系数和平均应力系数。步骤9)：根据步骤3)计算得到的发电停机工况时转子3号鸽尾B点处应力分布曲线，由公式(8)计算出在此种工况运行情况下可使用的疲劳寿命次数N2； 步骤10)：根据步骤4)计算得到的电动启动工况时转子3号鸽尾B点处应力分布曲线，由公式(8)计算出在此种工况运行情况下可使用的疲劳寿命次数N3； 步骤11)：根据步骤5)计算得到的电动停机工况时转子3号鸽尾B点处应力分布曲线，由公式(8)计算出在此种工况运行情况下可使用的疲劳寿命次数N4； 步骤12)：根据步骤6)计算得到的甩负荷工况时转子3号鸽尾B点处应力分布曲线，由公式(8)计算出在此种工况运行情况下可使用的疲劳寿命次数N5； 步骤13)：根据步骤7)计算得到的飞逸工况时转子3号鸽尾B点处应力分布曲线，由公式(8)计算出在此种工况运行情况下可使用的疲劳寿命次数N6； 步骤14)：根据某台发电电动机实际运行m年中各种工况发生次数，将步骤8)-13)计算出的结果代入Miner准则公式(9)，计算出寿命预测系数Dminer；式中，ni(i＝1,2,3,…6)分别为运行m年出现的发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况次数；Ni(i＝1,2,3,…6)为步骤8)-13)中计算得到的每种工况下转子鸽尾部可使用疲劳寿命次数； 步骤15)：根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：1)、根据抽水蓄能电厂提供实际运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算，分别得到发电电动机转子鸽尾部在发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下离心力所引起的应力随时间变化的分布情况；2)、由电磁损耗引起电机的温度变化，而由此产生的热应力与离心力引起的应力进行矢量求和；3)、根据发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下的总应力分布情况，绘制在不同工况时最容易出现疲劳破坏点处的应力随时间变化曲线，并根据曲线计算此处可使用的疲劳寿命次数；4)、将已运行m年的发电电动机实际各种工况发生次数，及各种工况下疲劳寿命使用次数代入Miner准则计算公式，可得到寿命预测系数，并根据寿命预测系数及已知运行年数m计算得到该发电电动机转子鸽尾部的累积疲劳寿命使用年限。

【技术特征摘要】
1.一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：1)、根据抽水蓄能电厂提供实际运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算，分别得到发电电动机转子鸽尾部在发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下离心力所引起的应力随时间变化的分布情况；2)、由电磁损耗引起电机的温度变化，而由此产生的热应力与离心力引起的应力进行矢量求和；3)、根据发电启动工况、发电停机工况、电动启动工况、电动停机工况、甩负荷工况、飞逸工况下的总应力分布情况，绘制在不同工况时最容易出现疲劳破坏点处的应力随时间变化曲线，并根据曲线计算此处可使用的疲劳寿命次数；4)、将已运行m年的发电电动机实际各种工况发生次数，及各种工况下疲劳寿命使用次数代入Miner准则计算公式，可得到寿命预测系数，并根据寿命预测系数及已知运行年数m计算得到该发电电动机转子鸽尾部的累积疲劳寿命使用年限。2.根据权利要求1所述一种基于Miner准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部累积疲劳寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：建立电机1/2周期模型，采用有限元法进行电磁场-温度场-结构场耦合数值计算，通过对电磁场控制方程(1)-(3)和温度场控制方程(4)(5)进行有限元数值计算得到由电磁损耗引起的温度稳态分布，再由温度相比初始温度的变化对方程(6)进行求解得到热应力分布情况；式中，V1是涡流区(转子绕组)，V2为源电流区(定子绕组)，σ为电导率，μ为相对磁导率，为源电流密度，Q为电磁损耗，包括源电流及涡流引起的损耗；式中，Q为能量损耗；kx,ky,kz分别表示热导率的各向异性参数；h为传热系数；T为求解温度；T0为环境温度，式中，i,j,k＝1,2,3；εij为应变张量；σij为应力张量；σij,j为应力张量对坐标的偏导数；E为弹性模量；ν为泊松比；β为热膨胀系数；ΔT为温度相比初始温度的变化量；Fi为外力的分量；ui,j为位移对坐标的偏导数；δij为应力因子，i＝j时为1，i≠j时为0；步骤2)：根据抽水蓄能电厂提供实际发电启动运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到发电启动工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力；式中，ρ为密度，ui为位移，其余参数与公式(6)相同；步骤3)：根据抽水蓄能电厂提供实际发电停机运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计算公式(7)，求解得到发电停机工况下由转子离心力所引起的应力随时间分布，并与步骤1)计算得到的热应力进行矢量求和，得到该工况下总应力；步骤4)：根据抽水蓄能电厂提供实际电动启动运行工况下的转子速度曲线得到加速度分布作为载荷，通过动力学计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇娇，刘东圆，黄雄峰，徐彬昭，吴刚梁，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42