潮流能水轮机转子系统动力学特性研究

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1、第３７卷第９期哈尔滨工程大学学报Ｖｏｌ．３７№．９２０１６年９月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｅｐ．２０１６潮流能水轮机转子系统动力学特性研究赵广，苏钧聪，宿晓辉，郭嘉楠（大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室，辽宁大连１１６０２４）摘要：水动力性能和安全可靠性是评价潮流能水轮机的两个基本指标，在水轮机设计阶段需要对其结构振动与可靠性开展研究与评价。本文采用有限元法推导竖轴等臂长和变臂长水轮机转子系统的横向振动模型，基于动量定理的流管法建立了不同变臂长方案的流体激励模

2、型，采用Ｎｅｗｍａｒｋ数值仿真计算了水轮机转子系统的动力学响应。最后搭建潮流能水轮机结构振动实验台，测试水轮机的振动特性。研究结果表明：和等臂长相比，变臂长水轮机流体激励波动幅值增加，且变结构回转体对质量矩阵的影响不容忽略。竖轴水轮机的动力学响应存在复杂的倍频振动，实验结果从定性角度验证了数值模拟结果。本文的研究为竖轴水轮机的设计、运行和振动预测提供了基本的动力学参考，然而仍迫切需要加强潮流水轮机结构振动、可靠性的研究工作。关键词：转子系统；动力学特性；竖轴水轮机；潮流能；流体激励；水动力实验ＤＯＩ：１０．１１９９０／

3、ｊｈｅｕ．２０１５０６０５４网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．ｕ．２０１６０７２９．１３０４．００６．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＫ７３０文献标志码：Ａ文章编号：１００６－７０４３（２０１６）０９－１１７２－０７ＤｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｏｆａｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｅｎｅｒｇｙｔｕｒｂｉｎｅＺＨＡＯＧｕａｎｇ，ＳＵＪｕｎｃｏｎｇ，ＳＵＸｉａｏｈｕｉ，ＧＵＯＪｉａｎａｎ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｃｅａｎＥｎｅ

4、ｒｇｙＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓａｆｅｔｙ／ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｅｎｅｒｇｙｔｕｒｂｉｎｅｓａｒｅｔｈｅｉｒｔｗｏｍａｉｎｅ⁃ｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃ

5、ｔｕｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｒｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｗｉｔｈｒｅ⁃ｓｐｅｃｔｔｏｔｕｒｂｉｎｅｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔａｌａｔｅｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｏｆａｖｅｒｔｉｃａｌ⁃ａｘｉｓｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｅｉｔｈｅｒｃｏｎｓｔａｎｔｏｒｖａｒｉａｂｌｅａｒｍｌｅｎｇｔｈｓ．Ｗｅｂｕｉｌｔｔｈｉｓｆｌｕｉｄｅｘ⁃ｃｉｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗｉ

6、ｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｒｍｌｅｎｇｔｈｓｃｈｅｍｅｓｕｓｉｎｇｔｈｅｓｔｒｅａｍ⁃ｔｕｂｅｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｍｅｎｔｕｍｔｈｅ⁃ｏｒｅｍ．ＷｅｔｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｔｈｅＮｅｗｍａｒｋｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅｒｅｓ

7、ｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｃｏｍ⁃ｐａｒｅｄｔｏａｃｏｎｓｔａｎｔａｒｍｌｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｏｆｆｌｕｉｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｉｎａｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅａｒｍｌｅｎｇｔｈ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｖａｒｉａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｏｔａｔｏｒｇｒｅａｔｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅｍａｓｓｍａｔｒｉｘ．Ｗｅｆｏｕｎｄｔｈｅｒｅｔｏｂｅｓｏｍｅｃｏｍｐｌｅｘｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｄｙｎ

8、ａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ⁃ａｘｉｓｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｗｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｖｅｒｉｆｉｅｄｏｕｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｔｈｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｍａｄｅｓｏｍｅｂａｓｉｃｄｙｎａｍｉｃｓｕｇｇｅｓ⁃ｔｉｏｎｓｒｅｇａｒｄ