摘要
近年来，大容量飞轮储能系统在辅助电网调频领域的应用逐渐增加，宽转速范围下的大容量储能飞轮转子在充放电过程中要反复跨越临界转速，振动问题十分突出，直接影响飞轮储能系统的安全稳定运行，增加了飞轮储能系统发生故障的风险。为了实现飞轮储能系统的动特性优化设计和振动控制，满足当前工程实际中的迫切需求，开展飞轮储能系统的动力学精确建模和故障下的飞轮转子系统振动特性研究具有重要意义。大容量飞轮储能系统采用多种轴承支撑且具有结构耦合特点，导致大容量飞轮储能系统的动力学建模更加复杂，目前已有的飞轮储能系统动力学模型简化程度高，未能考虑各部件之间的耦合特点，此外针对质量不平衡、基础激励、裂纹等典型故障状态下的大容量飞轮转子系统振动特性研究也有待进一步深入探讨。基于此，本文针对大容量飞轮转子系统动力学精确建模和动特性分析的一些关键问题开展系统的研究，论文的主要研究内容如下: (1)针对目前飞轮转子系统动力学建模相关研究未考虑飞轮转子和支撑系统之间的耦合特性问题，基于永磁理论和接触理论分别建立了飞轮转子的永磁轴承和机械轴承支撑模型，推导了飞轮转子和外壳之间的轴承耦合刚度，以某实际大容量飞轮储能系统为原型，基于有限元建模理论建立了考虑多种轴承支撑和具有结构耦合特性的飞轮转子-轴承-外壳耦合系统（简称飞轮转子系统）的动力学数学模型，计算了飞轮转子-轴承-外壳耦合系统的临界转速和模态振型。通过对实际飞轮储能系统进行振动响应测试，获得了实际飞轮储能系统的临界转速，与数值计算结果进行了对比分析，验证了所建立的飞轮转子-轴承-外壳耦合系统动力学模型的准确性。 (2)基于建立的飞轮转子系统动力学模型，对飞轮转子具有质量不平衡时的稳态和瞬态振动响应特性进行了研究，分析了不平衡量及支撑系统的刚度和阻尼等参数的影响。研究表明，飞轮转子系统稳态响应幅值随着不平衡量的增大而增大，而支撑系统的阻尼可以有效抑制这一振动。支撑系统的刚度对飞轮转子系统的临界转速和振动幅值均有影响，随着刚度的增大，飞轮转子系统的临界转速呈增大的趋势，同时飞轮转子系统的振动幅值呈现波动变化。在进行反复充放电的过程中，飞轮转子系统的瞬态响应幅值在临界转速处出现共振峰值，通过实测数据与数值计算结果进行对比分析，验证了计算的准确性。此外，针对飞轮转子系统在长期运行过程中的结构劣化所导致的参数不确定性问题，本文引入基于导数信息的Chebyshev区间分析方法，对参数不确定性情况下的飞轮转子系统质量不平衡振动响应进行了分析。研究表明，在参数不确定情况下，飞轮转子系统的振动响应具有明显的区间特性，且轴承刚度的不确定性对飞轮转子系统的振动响应影响最大。 (3)考虑基础激励的作用，引入机动飞行器转子建模理论，对建立的飞轮转子系统动力学模型进行扩展，建立了可施加多种基础运动激励的飞轮转子-基础耦合系统动力学数学模型。探讨了不平衡力和基础转动、冲击激励、加速激励、地震激励等外部激励耦合作用下的飞轮转子-基础耦合系统振动响应特性。研究表明，基础的转动主要影响飞轮转子-基础耦合系统的临界转速，且转动方向和快慢均对临界转速有影响。基础的平动、冲击激励和地震激励等主要影响飞轮转子-基础耦合系统的瞬态响应幅值，且激励强度越大，激励时间越长，对系统瞬态响应幅值的影响也越大。 (4)针对具有裂纹故障的飞轮转子系统动力学特性响应问题，考虑飞轮转子旋转时的非重力占优弯曲特性，基于中性轴裂纹模型构建了具有时变特性的裂纹飞轮转子系统动力学数学模型，研究了转速、裂纹位置和裂纹深度等参数对飞轮转子系统动力学特性的影响，从轴心轨迹、频谱和升速响应曲线等多个角度对飞轮转子系统在裂纹故障下的动力学特征进行了分析。研究表明:轴心轨迹的内陷环以及频谱中的3X、5X等成分是裂纹出现时的重要特征，且不同转速下的轴心轨迹形状和频谱成分也有一定的差异。此外，裂纹位置影响轴心轨迹的形状以及频谱中各频率成分的幅值，但不影响临界转速大小。裂纹的深度不会改变轴心轨迹形状和频谱成分，但影响轴心轨迹的大小和频谱幅值。 (5)针对具有裂纹故障的飞轮转子系统在全转速范围内的稳定性分析问题，结合Newmark-β数值积分法和N次积分传递算法(NIP)，提出基于Floquet稳定性理论的稳定性求解方法，对含裂纹故障的飞轮转子系统稳定性进行了分析，探讨了裂纹类型、裂纹数量、裂纹位置、裂纹深度以及轴承刚度、阻尼等参数对飞轮转子系统稳定性的影响。研究结果表明，转速、裂纹深度、裂纹位置及裂纹数量等参数均对飞轮转子不稳定的区域有显著影响，转速、裂纹深度和位置是主要的影响因素。对比了分别具有开裂纹和呼吸裂纹的飞轮转子系统稳定性，结果表明呼吸裂纹对飞轮转子稳定性的影响更大。此外轴承刚度和阻尼同样对飞轮转子系统的稳定性有影响，轴承刚度导致不稳定区域发生偏移，而轴承阻尼则增加了飞轮转子系统的稳定性。
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