一種基于Corten-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】一種基于Corten?Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際不同運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度分布作為載荷，得到發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部在發(fā)電啟動(dòng)工況、發(fā)電停機(jī)工況、電動(dòng)啟動(dòng)工況、電動(dòng)停機(jī)工況、甩負(fù)荷工況、飛逸工況下離心力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的分布情況；根據(jù)各種工況下總應(yīng)力的最大值，結(jié)合已知運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)的工況，確定在曾出現(xiàn)的工況中應(yīng)力最大值并求出在此工況單獨(dú)作用下電機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部可使用的疲勞壽命次數(shù)，結(jié)合已運(yùn)行m年的發(fā)電電動(dòng)機(jī)實(shí)際各種工況出現(xiàn)次數(shù)，根據(jù)Corten?Dolan準(zhǔn)則計(jì)算公式，得到壽命預(yù)測(cè)系數(shù)，根據(jù)壽命預(yù)測(cè)系數(shù)及m年計(jì)算得到該發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部的疲勞壽命使用年限。
【專利說明】
-種基于Corten-Do I an準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銷尾 部疲勞壽命預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明一種基于Coden-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命 預(yù)測(cè)方法，設(shè)及抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)有發(fā)電和電動(dòng)兩種主要工況，其轉(zhuǎn)速高，單機(jī)容量大，且機(jī)組 啟停頻繁、轉(zhuǎn)子存在正反轉(zhuǎn)情況，運(yùn)行工況復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境較一般水輪發(fā)電機(jī)更惡劣，同時(shí) 隨著抽水蓄能電站運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，使得發(fā)電電動(dòng)機(jī)的故障和事故頻發(fā)，安全穩(wěn)定問題日 益突出。
[0003] 目前對(duì)于抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究較少，由于發(fā)電電 動(dòng)機(jī)存在發(fā)電啟動(dòng)工況、發(fā)電停機(jī)工況、電動(dòng)啟動(dòng)工況、電動(dòng)停機(jī)工況、甩負(fù)荷工況、飛逸工 況，各種工況對(duì)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部的綜合作用形成應(yīng)力載荷譜作為累積疲勞分析的載荷，再結(jié)合 一定的計(jì)算準(zhǔn)則進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。已有研究方法是通過靜力學(xué)計(jì)算得到每種工況的最大 應(yīng)力分布，再將其作為載荷進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，運(yùn)種方法無法反映出應(yīng)力分布隨時(shí)間變化 的情況。此外，也沒有通過計(jì)算準(zhǔn)則對(duì)抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè) 的研究。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于Coden-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，該方法通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到不同工況下轉(zhuǎn)子離屯、力所 引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的分布情況，并與熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和得到各種工況下總應(yīng)力及其 最大值，結(jié)合已知運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)的工況，確定在曾出現(xiàn)的工況中應(yīng)力最大值。如果 某種工況從未出現(xiàn)，則該工況的應(yīng)力最大值無需計(jì)入比較范圍，并求出在此工況單獨(dú)作用 下電機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部可使用的疲勞壽命次數(shù)，結(jié)合已運(yùn)行m年的發(fā)電電動(dòng)機(jī)實(shí)際各種工況出 現(xiàn)次數(shù)，根據(jù)Coden-Dolan準(zhǔn)則計(jì)算公式，可得到壽命預(yù)測(cè)系數(shù)，并根據(jù)壽命預(yù)測(cè)系數(shù)及m 年計(jì)算得到該發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部的疲勞壽命使用年限。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種基于Coden-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方 法，包括W下步驟：
[0007] 1)、根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度分布作為 載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算，分別得到發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部在發(fā)電啟動(dòng)工況、發(fā)電停機(jī)工況、 電動(dòng)啟動(dòng)工況、電動(dòng)停機(jī)工況、甩負(fù)荷工況、飛逸工況下離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的 分布情況；
[000引2)、由電磁損耗引起電機(jī)的溫度變化，而由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力與離屯、力引起的應(yīng)力 進(jìn)行矢量求和，得到最容易出現(xiàn)疲勞破壞點(diǎn)處總應(yīng)力分布及其最大值；
[0009] 3)、根據(jù)各種工況下總應(yīng)力的最大值，結(jié)合已知運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)的工況，確 定在曾出現(xiàn)的工況中應(yīng)力最大值(如果某種工況從未出現(xiàn)，則該工況的應(yīng)力最大值無需計(jì) 入比較范圍），并求出在此工況單獨(dú)作用下電機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部可使用的疲勞壽命次數(shù)，結(jié)合已 運(yùn)行m年的發(fā)電電動(dòng)機(jī)實(shí)際各種工況出現(xiàn)次數(shù)，根據(jù)Coden-Dolan準(zhǔn)則計(jì)算公式，可得到壽 命預(yù)測(cè)系數(shù)，并根據(jù)壽命預(yù)測(cè)系數(shù)及m年計(jì)算得到該發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部的累積疲勞壽 命使用年限。
[0010] -種基于Coden-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方 法，其特征在于包括W下步驟：
[0011] 步驟1):建立電機(jī)1/2周期模型，采用有限元法進(jìn)行電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)禪合數(shù) 值計(jì)算，通過對(duì)電磁場(chǎng)控制方程（1)-(3)和溫度場(chǎng)控制方程(4)(5)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算得 到由電磁損耗引起的溫度穩(wěn)態(tài)分布，再由溫度相比初始溫度的變化對(duì)方程(6)進(jìn)行求解得 到熱應(yīng)力分布情況；
[0012]
(1)
[0 (2)
[0 貸）
[001引式中，Vi是滿流區(qū)(轉(zhuǎn)子繞組），V2為源電流區(qū)（定子繞組），0為電導(dǎo)率，y為相對(duì)磁導(dǎo) 率，X為源電流密度，Q為電磁損耗(包括源電流及滿流引起的損耗）。
[001" 卿
[OC 巧
[001引式中，Q為能量損耗;kx，ky，kz分別表示熱導(dǎo)率的各向異性參數(shù);h為傳熱系數(shù);T為 求解溫度;To為環(huán)境溫度。 r 一
[0019]
炸）
[0020]式中，i，j，k二1，2,3; ￡ij為應(yīng)變張量;曰ij為應(yīng)力張量;曰ij，j為應(yīng)力張量對(duì)坐標(biāo)的偏 導(dǎo)數(shù);E為彈性模量;V為泊松比;目為熱膨脹系數(shù)；A T為溫度相比初始溫度的變化量;Fi為外 力的分量;Ui, j為位移對(duì)坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù);Si功應(yīng)力因子，i = j時(shí)為I，i刮時(shí)為O。
[0021]步驟2):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際發(fā)電啟動(dòng)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)（如圖2所示)在發(fā) 電啟動(dòng)工況下由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行 矢量求和，得到該工況下總應(yīng)力，其最大值為Olmax;
[00剖
仍
[0023] 式中，P為密度，Ui為位移，其余參數(shù)與公式(6)相同。
[0024] 步驟3):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際發(fā)電停機(jī)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在發(fā)電停機(jī)工況下 由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得 到該工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇2max;
[0025] 步驟4):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際電動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在電動(dòng)啟動(dòng)工況下 由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得 到該工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇3max;
[0026] 步驟5):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際電動(dòng)停機(jī)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在電動(dòng)停機(jī)工況下 由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得 到該工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇4max;
[0027] 步驟6):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際甩負(fù)荷運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速 度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在甩負(fù)荷工況下由轉(zhuǎn) 子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該 工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為OSmax;
[0028] 步驟7):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際飛逸運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在飛逸工況下由轉(zhuǎn)子離 屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該工況 下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇6max;
[0029] 步驟8):結(jié)合電機(jī)已運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)過的工況，比較步驟2)-7)的計(jì)算結(jié)果 中曾出現(xiàn)過工況下的應(yīng)力最大值(如果某種工況從未出現(xiàn)，則該工況的應(yīng)力最大值無需計(jì) 入比較范圍），確定其中最大值Omax所在工況，根據(jù)該工況的總應(yīng)力代入公式(8)，計(jì)算得到 轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部在此種工況運(yùn)行情況下可使用的疲勞壽命次數(shù)Nmax;
[0030]
娩
[0031] 式中：C和a為材料疲勞系數(shù);OimaxQ = I，2,3, . . .6)為每種工況下總應(yīng)力變化曲線 中的最大值;〇imin( i = 1，2，3，. . . 6)為每種工況下總應(yīng)力變化曲線中的最小值;K。，e。，0。和柏 分別為有效應(yīng)力集中系數(shù)，零件尺寸系數(shù)，表面系數(shù)和平均應(yīng)力系數(shù)。
[0032] 步驟9):根據(jù)發(fā)電電動(dòng)機(jī)已有運(yùn)行m年各種工況出現(xiàn)的次數(shù)m，將步驟2)-7)計(jì)算 出的每種工況最大應(yīng)力值曰imax(i = 1，2，3-'6)(其中如果某種工況從未出現(xiàn)，則不計(jì)入計(jì)算 中），^及步驟8)得至1]〇11131和?^代入〔〇1'16]1-〇〇1曰]1準(zhǔn)則公式(9)，計(jì)算出壽命預(yù)測(cè)系數(shù)0〇〇;
[00削
巧
[0034] 式中，ni(i = l，2,3…6)為電機(jī)在已知運(yùn)行年限里由工程實(shí)際統(tǒng)計(jì)出來的每種工 況發(fā)生的次數(shù)，d為材料常數(shù)，可根據(jù)《材料疲勞手冊(cè)》查詢；
[0035] 步驟10):根據(jù)步驟9)計(jì)算得到的化-D，W及已知實(shí)際運(yùn)行年限m代入公式（10)，計(jì) 算得到預(yù)測(cè)壽命年限Ncorten-Dolan。
[0036] (10)
[0037] 本發(fā)明一種基于Coden-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命 預(yù)測(cè)方法，優(yōu)點(diǎn)在于：
[0038] 1)、根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度分布作為 載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到不同工況下離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的分布情況，將不 同工況的應(yīng)力變化W應(yīng)力載荷譜的形式作為疲勞分析的激勵(lì)，可W考慮長(zhǎng)期運(yùn)行在不同工 況下的累積損傷對(duì)疲勞的綜合作用。比常規(guī)方法，通過靜力學(xué)計(jì)算出一個(gè)最大應(yīng)力作為疲 勞壽命計(jì)算載荷更符合實(shí)際情況，更準(zhǔn)確。
[0039] 2)、與電磁損耗引起的溫度變化及由此產(chǎn)生熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，考慮總應(yīng)力對(duì) 疲勞的影響，也更符合實(shí)際工況。
[0040] 3)、由于在電機(jī)設(shè)計(jì)階段，無法預(yù)知每年實(shí)際發(fā)生的六種工況（即發(fā)電啟動(dòng)工況、 發(fā)電停機(jī)工況、電動(dòng)啟動(dòng)工況、電動(dòng)停機(jī)工況、甩負(fù)荷工況、飛逸工況）的具體次數(shù)，只能對(duì) 其關(guān)鍵部件的疲勞壽命做簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)，本方法將電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間中的已知各種工況發(fā)生次 數(shù)代入計(jì)算中，再對(duì)錯(cuò)尾部的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的結(jié)果更合理、更準(zhǔn)確。
[0041] 4)、Coden-Dolan準(zhǔn)則不同于其他準(zhǔn)則，所采用的計(jì)算條件之一是已知運(yùn)行時(shí)間m 年中曾出現(xiàn)過的工況中的應(yīng)力最大值，此外取已知運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)過的工況中最大 應(yīng)力值所發(fā)生工況下的疲勞壽命次數(shù)也作為計(jì)算條件之一，所W根據(jù)該準(zhǔn)則預(yù)測(cè)出來的疲 勞年限留有較大裕度，W此作為工程實(shí)際中電機(jī)大修依據(jù)，較為保守及可靠。
【附圖說明】
[0042] 圖1是發(fā)電電動(dòng)機(jī)1/2周期模型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 圖2是轉(zhuǎn)子繞組錯(cuò)尾部局部放大示意圖。
[0044] 圖3是電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度分布圖。
[0045] 圖4是電機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分布圖。
[0046] 圖5是發(fā)電啟動(dòng)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。
[0047] 圖6是發(fā)電停機(jī)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。
[0048] 圖7是電動(dòng)啟動(dòng)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。
[0049] 圖8是電動(dòng)停機(jī)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。
[0050] 圖9是甩負(fù)荷工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0051 ] 一種基于Coden-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方 法，包括W下步驟：
[0052] 1)、根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度分布作為 載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算，分別得到發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部在發(fā)電啟動(dòng)工況、發(fā)電停機(jī)工況、 電動(dòng)啟動(dòng)工況、電動(dòng)停機(jī)工況、甩負(fù)荷工況、飛逸工況下離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的 分布情況；
[0053] 2)、由電磁損耗引起電機(jī)的溫度變化，而由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力與離屯、力引起的應(yīng)力 進(jìn)行矢量求和，得到最容易出現(xiàn)疲勞破壞點(diǎn)處總應(yīng)力分布及其最大值；
[0054] 3)、根據(jù)各種工況下總應(yīng)力的最大值，結(jié)合已知運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)的工況，確 定在曾出現(xiàn)的工況中應(yīng)力最大值(如果某種工況從未出現(xiàn)，則該工況的應(yīng)力最大值無需計(jì) 入比較范圍），并求出在此工況單獨(dú)作用下電機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部可使用的疲勞壽命次數(shù)，結(jié)合已 運(yùn)行m年的發(fā)電電動(dòng)機(jī)實(shí)際各種工況出現(xiàn)次數(shù)，根據(jù)Coden-Dolan準(zhǔn)則計(jì)算公式，可得到壽 命預(yù)測(cè)系數(shù)，并根據(jù)壽命預(yù)測(cè)系數(shù)及m年計(jì)算得到該發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部的累積疲勞壽 命使用年限。
[0055] 一種基于Coden-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方 法，具體包括W下步驟：
[0056] 步驟1):建立電機(jī)1/2周期模型，采用有限元法進(jìn)行電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)禪合數(shù) 值計(jì)算，通過對(duì)電磁場(chǎng)控制方程（1)-(3)和溫度場(chǎng)控制方程(4)(5)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算得 到由電磁損耗引起的溫度穩(wěn)態(tài)分布，再由溫度相比初始溫度的變化對(duì)方程(6)進(jìn)行求解得 到熱應(yīng)力分布情況；
[0化7]
(11)
[ (12)
[ (13)
[0060]式中，Vi是滿流區(qū)(轉(zhuǎn)子繞組），V2為源電流區(qū)（定子繞組），〇為電導(dǎo)率，y為相對(duì)磁導(dǎo) 率，X為源電流密度，Q為電磁損耗(包括源電流及滿流引起的損耗）。
[00611 (14)
[( (15)：
[0063] 式中，Q為能量損耗;kx，ky，kz分別表示熱導(dǎo)率的各向異性參數(shù);h為傳熱系數(shù);T為 求解溫度;To為環(huán)境溫度。
[0064]
辦）
[0065] 式中，i，j，k= 1，2，3 ;Eij為應(yīng)變張量;化為應(yīng)力張量;化,j為應(yīng)力張量對(duì)坐標(biāo)的偏 導(dǎo)數(shù);E為彈性模量;V為泊松比;0為熱膨脹系數(shù)；A T為溫度相比初始溫度的變化量;Fi為外 力的分量;Ui, j為位移對(duì)坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù);Si功應(yīng)力因子，i = j時(shí)為1，i刮時(shí)為0。
[0066] 步驟2):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際發(fā)電啟動(dòng)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)（如圖2所示)在發(fā) 電啟動(dòng)工況下由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行 矢量求和，得到該工況下總應(yīng)力，其最大值為Olmax;
[0067]
('/)
[006引式中，P為密度，Ui為位移，其余參數(shù)與公式(6)相同。
[0069] 步驟3):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際發(fā)電停機(jī)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在發(fā)電停機(jī)工況下 由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得 到該工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇2max;
[0070] 步驟4):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際電動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在電動(dòng)啟動(dòng)工況下 由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得 到該工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇3max;
[0071] 步驟5):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際電動(dòng)停機(jī)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在電動(dòng)停機(jī)工況下 由轉(zhuǎn)子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得 到該工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇4max;
[0072] 步驟6):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際甩負(fù)荷運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速 度分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在甩負(fù)荷工況下由轉(zhuǎn) 子離屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該 工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為OSmax;
[0073] 步驟7):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際飛逸運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)在飛逸工況下由轉(zhuǎn)子離 屯、力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該工況 下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇6max;
[0074] 步驟8):結(jié)合電機(jī)已運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)過的工況，比較步驟2)-7)的計(jì)算結(jié)果 中曾出現(xiàn)過工況下的應(yīng)力最大值(如果某種工況從未出現(xiàn)，則該工況的應(yīng)力最大值無需計(jì) 入比較范圍），確定其中最大值Omax所在工況，根據(jù)該工況的總應(yīng)力代入公式(8)，計(jì)算得到 轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部在此種工況運(yùn)行情況下可使用的疲勞壽命次數(shù)Nmax;
[0075]
(1巧
[0076] 式中：C和a為材料疲勞系數(shù);OimaxQ = I，2,3, .. .6)為每種工況下總應(yīng)力變化曲線 中的最大值;〇imin( i = 1，2，3，. . . 6)為每種工況下總應(yīng)力變化曲線中的最小值;K。，e。，0。和柏 分別為有效應(yīng)力集中系數(shù)，零件尺寸系數(shù)，表面系數(shù)和平均應(yīng)力系數(shù)。
[0077] 步驟9):根據(jù)發(fā)電電動(dòng)機(jī)已有運(yùn)行m年各種工況出現(xiàn)的次數(shù)m，將步驟2)-7)計(jì)算 出的每種工況最大應(yīng)力值曰ImaxQ = I，2,3-'6)(其中如果某種工況從未出現(xiàn)，則不計(jì)入計(jì)算 中），W及巧驢8)得毛ll〇m…巧Nm…化入Co;rten-Dolan準(zhǔn)則公式(9)，計(jì)算出壽命預(yù)測(cè)系數(shù)Dc-D;
[007引
（19)
[0079] 式中，ni(i = l，2,3…6)為電機(jī)在已知運(yùn)行年限里由工程實(shí)際統(tǒng)計(jì)出來的每種工 況發(fā)生的次數(shù)，d為材料常數(shù)，可根據(jù)《材料疲勞手冊(cè)》查詢；
[0080] 步驟10):根據(jù)步驟9)計(jì)算得到的化-D，W及已知實(shí)際運(yùn)行年限m代入公式（10)，計(jì) 算得到預(yù)測(cè)壽命年胞Nnrvrtpn-Dnlan。
[0081]
[0082] 圖3是電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度分布圖。在步驟1)中進(jìn)行了電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)的禪合計(jì)算后 得到的溫度分布云圖；
[0083] 圖4是電機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分布圖。在步驟1)中得到溫度分布(如圖3)后，作為載荷加 載到結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到溫度引起的形變情況，即熱應(yīng)力分布情況；
[0084] 圖5是發(fā)電啟動(dòng)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。步驟2)中計(jì)算得到電機(jī) 在發(fā)電啟動(dòng)工況下的轉(zhuǎn)子離屯、力引起的應(yīng)力與熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到總應(yīng)力分布，繪 審IJ3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)(如圖2所示)的應(yīng)力分布曲線，其中最大值為01;
[0085] 圖6是發(fā)電停機(jī)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。步驟3)中計(jì)算得到電機(jī) 在發(fā)電停機(jī)工況下的轉(zhuǎn)子離屯、力引起的應(yīng)力與熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到總應(yīng)力分布，繪 審IJ3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)(如圖2所示)的應(yīng)力分布曲線，其中最大值為02;
[0086] 圖7是電動(dòng)啟動(dòng)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。步驟4)中計(jì)算得到電機(jī) 在電動(dòng)啟動(dòng)工況下的轉(zhuǎn)子離屯、力引起的應(yīng)力與熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到總應(yīng)力分布，繪 審IJ3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)(如圖2所示)的應(yīng)力分布曲線，其中最大值為03;
[0087] 圖8是電動(dòng)停機(jī)工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。步驟5)中計(jì)算得到電機(jī) 在電動(dòng)停機(jī)工況下的轉(zhuǎn)子離屯、力引起的應(yīng)力與熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到總應(yīng)力分布，繪 審IJ3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)(如圖2所示)的應(yīng)力分布曲線，其中最大值為04;
[0088] 圖9是甩負(fù)荷工況時(shí)轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)處應(yīng)力分布曲線。步驟6)中計(jì)算得到電機(jī)在 甩負(fù)荷工況下的轉(zhuǎn)子離屯、力引起的應(yīng)力與熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到總應(yīng)力分布，繪制3號(hào) 錯(cuò)尾B點(diǎn)(如圖2所示)的應(yīng)力分布曲線，其中最大值為05。
[0089] 具體算例：W廣蓄B廠8#機(jī)組為例
[0090] 首先建立電機(jī)的1/2周期模型如圖1、2所示，按照步驟1)對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、結(jié) 構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到其轉(zhuǎn)子溫度分布如圖3所示，再得到溫度引起的熱應(yīng)力分布如圖4 所示。
[0091] 廣蓄#8機(jī)組歷年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自2000年3月14日#8機(jī)組投運(yùn)起，至2012年2月22 日機(jī)組開始大修為止，#8機(jī)組運(yùn)行時(shí)間m為13年，發(fā)電啟停m和ri2各9543次，電動(dòng)啟停M和m 各8286次，甩負(fù)荷ns為26次，飛逸ns為0次。由此可知，飛逸工況未出現(xiàn)，因此該工況計(jì)算結(jié) 果不計(jì)入后續(xù)計(jì)算。
[0092] 轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部在其他五種工況的總應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為:發(fā)電啟動(dòng)工況轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn) 應(yīng)力分布曲線如圖5所示，最大值Oimax為336MPa，發(fā)電停機(jī)工況轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)應(yīng)力分布曲 線如圖6所示，最大值為168MPa，電動(dòng)啟動(dòng)工況轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)應(yīng)力分布曲線如圖7所 示，最大值〇3max為209M化，電動(dòng)停機(jī)工況轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)應(yīng)力分布曲線如圖8所示，最大值 〇4max為116MPa，甩負(fù)荷工況轉(zhuǎn)子3號(hào)錯(cuò)尾B點(diǎn)應(yīng)力分布曲線如圖9所示，最大值〇加3、為382MPa。
[0093] 根據(jù)步驟8)，得到應(yīng)力最大值〇max = 382MPa出現(xiàn)在甩負(fù)荷工況，計(jì)算出在甩負(fù)荷工 況下，轉(zhuǎn)子錯(cuò)尾部可使用的疲勞壽命次數(shù)Nmax為8991次。
[0094] 根據(jù)步驟9)，結(jié)合將Olmax-O日max、〇max、Nmax代入公式(9)，根據(jù)《疲勞強(qiáng)度手冊(cè)》，此處 材料系數(shù)d = 5，計(jì)算出壽命預(yù)測(cè)系數(shù)Dc-D:
[0095]
[0096]
[0097]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于Corten-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子纟鳥尾部疲勞壽命預(yù)測(cè)方法， 其特征在于包括以下步驟： 1)、根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度分布作為載 荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算，分別得到發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部在發(fā)電啟動(dòng)工況、發(fā)電停機(jī)工況、電 動(dòng)啟動(dòng)工況、電動(dòng)停機(jī)工況、甩負(fù)荷工況、飛逸工況下離心力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的分 布情況； 2 )、由電磁損耗引起電機(jī)的溫度變化，而由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力與離心力引起的應(yīng)力進(jìn)行 矢量求和，得到最容易出現(xiàn)疲勞破壞點(diǎn)處總應(yīng)力分布及其最大值； 3)、根據(jù)各種工況下總應(yīng)力的最大值，結(jié)合已知運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)的工況，確定在 曾出現(xiàn)的工況中應(yīng)力最大值，并求出在此工況單獨(dú)作用下電機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部可使用的疲勞壽 命次數(shù)，結(jié)合已運(yùn)行m年的發(fā)電電動(dòng)機(jī)實(shí)際各種工況出現(xiàn)次數(shù)，根據(jù)Corten-Dolan準(zhǔn)則計(jì)算 公式，可得到壽命預(yù)測(cè)系數(shù)，并根據(jù)壽命預(yù)測(cè)系數(shù)及m年計(jì)算得到該發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鴿尾部 的累積疲勞壽命使用年限。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于Corten-Dolan準(zhǔn)則的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子纟鳥尾部 疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1):建立電機(jī)1/2周期模型，采用有限元法進(jìn)行電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì) 算，通過對(duì)電磁場(chǎng)控制方程（1)-(3)和溫度場(chǎng)控制方程(4)(5)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算得到由 電磁損耗引起的溫度穩(wěn)態(tài)分布，再由溫度相比初始溫度的變化對(duì)方程(6)進(jìn)行求解得到熱 應(yīng)力分布情況；Ο) (2) (3)式中，Q為能量損耗;kx，ky，kz分別表示熱導(dǎo)率的各向異性參數(shù);h為傳熱系數(shù);T為求解 溫度;To為環(huán)境溫度； 式中，化是渦流區(qū)（轉(zhuǎn)子繞組），V2為源電流區(qū)（定子繞組），〇為電導(dǎo)率，μ為相對(duì)磁導(dǎo)率， i為源電流密度，q為電磁損耗(包括源電流及渦流引起的損耗）； (4) (5) (6) I厶式中，i，j，k = I，2，3; ￡ij為應(yīng)變張量;Oij為應(yīng)力張量;〇ij, j為應(yīng)力張量對(duì)坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)； E為彈性模量;V為泊松比；β為熱膨脹系數(shù)；△ T為溫度相比初始溫度的變化量;Fi為外力的 分量;m, j為位移對(duì)坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù);Sij為應(yīng)力因子，i = j時(shí)為I，i辛j時(shí)為〇; 步驟2):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際發(fā)電啟動(dòng)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)鴿尾B點(diǎn)（如圖2所示)在發(fā)電啟 動(dòng)工況下由轉(zhuǎn)子離心力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量 求和，得到該工況下總應(yīng)力，其最大值為〇 lmax;(7) 式中，P為密度，m為位栘，其余參數(shù)與公式(6)相同； 步驟3):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際發(fā)電停機(jī)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)鴿尾B點(diǎn)在發(fā)電停機(jī)工況下由轉(zhuǎn) 子離心力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該 工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇 2max; 步驟4):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際電動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式（7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)鴿尾B點(diǎn)在電動(dòng)啟動(dòng)工況下由 轉(zhuǎn)子離心力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到 該工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇 3max; 步驟5):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際電動(dòng)停機(jī)運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)鴿尾B點(diǎn)在電動(dòng)停機(jī)工況下由轉(zhuǎn) 子離心力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該 工況下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇 4max; 步驟6):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際甩負(fù)荷運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度分 布作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)鴿尾B點(diǎn)在甩負(fù)荷工況下由轉(zhuǎn)子離 心力所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該工況 下總應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為〇 5max; 步驟7):根據(jù)抽水蓄能電廠提供實(shí)際飛逸運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子速度曲線得到加速度分布 作為載荷，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式(7)，求解得到轉(zhuǎn)子3號(hào)鴿尾B點(diǎn)在飛逸工況下由轉(zhuǎn)子離心力 所引起的應(yīng)力隨時(shí)間分布，并與步驟1)計(jì)算得到的熱應(yīng)力進(jìn)行矢量求和，得到該工況下總 應(yīng)力隨時(shí)間分布情況，其最大值為O 6max; 步驟8):結(jié)合電機(jī)已運(yùn)行時(shí)間m年中曾出現(xiàn)過的工況，比較步驟2)-7)的計(jì)算結(jié)果中曾 出現(xiàn)過工況下的應(yīng)力最大值(如果某種工況從未出現(xiàn)，則該工況的應(yīng)力最大值無需計(jì)入比 較范圍），確定其中最大值〇max所在工況，根據(jù)該工況的總應(yīng)力代入公式(8)，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子 鴿尾部在此種工況運(yùn)行情況下可使用的疲勞壽命次數(shù)N max;(8) 式中：C和a為材料疲勞系數(shù);〇imax(i = l，2,3, . . .6)為每種工況下總應(yīng)力變化曲線中的 最大值;〇-( i = 1,2,3,...6)為每種工況下總應(yīng)力變化曲線中的最小值;K。，ε。，β。和隊(duì)分別 為有效應(yīng)力集中系數(shù)，零件尺寸系數(shù)，表面系數(shù)和平均應(yīng)力系數(shù)； 步驟9):根據(jù)發(fā)電電動(dòng)機(jī)已有運(yùn)行m年各種工況出現(xiàn)的次數(shù)m，將步驟2)-7)計(jì)算出的每 種工況最大應(yīng)力值〇^(1 = 1，2,3-6)(其中如果某種工況從未出現(xiàn)，則不計(jì)入計(jì)算中），以 及步驟8)得到〇max和Nmax代入Corten-DoIan準(zhǔn)則公式(9)，計(jì)算出壽命預(yù)測(cè)系數(shù)Dc-d;(9) 式中，m(i = l，2,3-_6)為電機(jī)在巳知運(yùn)行年限里由工程實(shí)際統(tǒng)計(jì)出來的每種工況發(fā)生 的次數(shù)，d為材料常數(shù)，可根據(jù)《材料疲勞手冊(cè)》查詢； 步驟10):根據(jù)步驟9)計(jì)算得到的DC-d，以及已知實(shí)際運(yùn)行年限m代入公式（10)，計(jì)算得 到預(yù)測(cè)壽命年限Nferten-Dolan，?〇)
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021713SQ201610331345
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】張宇嬌, 劉東圓, 黃雄峰, 徐彬昭, 吳剛梁
【申請(qǐng)人】三峽大學(xué)