[发明专利]一种基于Corten‑Dolan准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测方法

摘要

一种基于Corten‑Dolan准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测方法，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；根据各种工况下总应力的最大值，结合已知运行时间m年中曾出现的工况，确定在曾出现的工况中应力最大值并求出在此工况单独作用下电机转子鸽尾部可使用的疲劳寿命次数，结合已运行m年的发电电动机实际各种工况出现次数，根据Corten‑Dolan准则计算公式，得到寿命预测系数，根据寿命预测系数及m年计算得到该发电电动机转子鸽尾部的疲劳寿命使用年限。

主权项

一种基于Corten‑Dolan准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测方法，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；▿×(1μ▿×A·)-▿(1μ▿·A·)=J·sinV2---(2)]]>Q=∫ΩJ2σdΩ---(3)]]>式中，为源电流密度，V1是转子绕组，V2为定子绕组，σ为电导率，μ为相对磁导率，Q为电磁损耗，包括源电流及涡流引起的损耗,J为电流密度的有效值；为矢量磁位的通用表达参数，ω为频率的通用表达参数；∂∂x(kx∂T∂x)+∂∂y(ky∂T∂y)+∂∂z(kz∂T∂z)=-Q0---(4)]]>k∂T∂n+h(T-T0)=0---(5)]]>式中，Q0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；σij,i+Fi=0ϵij=1+vEσij-vEσkkδij+βΔT12(ui,j+uj,i)=ϵij---(6)]]>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)，求解得到转子3号鸽尾B点在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，其最大值为σ1max；发电工况启停、甩负荷和飞逸工况峰值应力出现在3号鸽尾B点；σij,i+Fi=ρ∂2ui(t)∂t2ϵij=1+vEσij-vEσkkδij12(ui,j+uj,i)=ϵij---(7)]]>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)，求解得到转子3号鸽尾B点在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随时间分布情况，其最大值为σ2max；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)，求解得到转子3号鸽尾B点在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随时间分布情况，其最大值为σ3max；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)，求解得到转子3号鸽尾B点在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随时间分布情况，其最大值为σ4max；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)，求解得到转子3号鸽尾B点在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随时间分布情况，其最大值为σ5max；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)，求解得到转子3号鸽尾B点在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随时间分布情况，其最大值为σ6max；步骤8)：结合电机已运行时间m年中曾出现过的工况，比较步骤2)‑7)的计算结果中曾出现过工况下的应力最大值，某种工况从未出现，则该工况的应力最大值无需计入比较范围，确定其中最大值σmax所在工况，根据该工况的总应力代入公式(8)，计算得到转子鸽尾部在此种工况运行情况下可使用的疲劳寿命次数Nmax；N=Cσ-aσ=Kσϵσβσσimax-σimin2+ψaσimax+σimin2---(8)]]>式中：C和a为材料疲劳系数；σimax，i＝1,2,3,...6为每种工况下总应力变化曲线中的最大值；σimin，i＝1,2,3,...6为每种工况下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)：根据发电电动机已有运行m年各种工况出现的次数ni，将步骤2)‑7)计算出的每种工况最大应力值σimax，i＝1,2,3…6，其中某种工况从未出现，则不计入计算中，以及步骤8)得到σmax和Nmax代入Corten‑Dolan准则公式(9)，计算出寿命预测系数DC‑D；DC-D=ΣiniNmax(σmax/σi)d---(9)]]>式中，ni，i＝1,2,3…6为电机在已知运行年限里由工程实际统计出来的每种工况发生的次数，d为材料常数；步骤10)：根据步骤9)计算得到的DC‑D，以及已知实际运行年限m代入公式(10)，计算得到预测寿命年限NCorten‑Dolan，NCorten-Dolan=mDC-D---(10).]]>