CN109635438A - 一种水轮机顶盖振动数值的确定方法 - Google Patents

一种水轮机顶盖振动数值的确定方法 Download PDF

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Abstract

一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，属于水轮机的设计领域。本发明为了解决现有的水轮机顶盖设计制造时还没有一种水轮机顶盖振动数值的确定方法。本发明通过ANSYS建立水轮机顶盖三维模型，在水轮机顶盖与座环把合螺栓分布圆上施加轴向约束，并进行模态求解得到质量阻尼和刚度阻尼。然后将水轮机转轮模型试验获得的压力脉动载荷数据转换成真机顶盖过流面压力脉动载荷数据；根据ANSYS进行压力脉动载荷的施加；在ANSYS中获取在压力脉动载荷作用下水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向的位移振动响应曲线和振动频率曲线，从而确定水轮机顶盖振动数值。本发明适用于水轮机的设计。

Description

一种水轮机顶盖振动数值的确定方法
技术领域
本发明属于水轮机的设计领域，具体涉及一种水轮机顶盖振动数值的确定方法。
背景技术
水轮机顶盖作为负荷机构，它承受机组控制环、水导轴承装配、主轴密封等部件重量、又承受水导传递给顶盖的径向力和活动导叶传给顶盖的支反力以及压力脉动载荷。顶盖的振动是影响水轮发电机组安全稳定运行重要因素。
以往在设计顶盖的时候，仅是计算顶盖的应力和变形，而没有对顶盖的振动数值进行计算，无法对顶盖的振动性能进行评估，从而导致投入运行后，某些电站水轮机顶盖的振动大，影响机组的安全稳定运行，甚至引发厂房的振动。
未来水电机组都是向大容量、高水头、高转速发展，机组及其支承系统的刚度相对较低，振动问题将更突出。因此，迫切需要在设计阶段就对顶盖振动性能进行评估，确保投入运行后机组能安全稳定运行。
目前的顶盖设计时采用静强度计算方法进行确定顶盖参数，从而得到的顶盖参数并没有将顶盖的振动数值的考虑到设计过程，也没有一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，水轮机顶盖的振动一般是通过实际测定获得，一旦不符合设计要求，不仅白白浪费设计时的大量人力、物力，而且可能影响机组的安全稳定运行，甚至引发厂房的振动。
发明内容
本发明为了解决现有的水轮机顶盖设计制造时还没有一种水轮机顶盖振动数值的确定方法。进而提出了一种一种水轮机顶盖振动数值的确定方法。
一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，包括以下步骤：
步骤一、按水轮机顶盖结构设计图纸采用ANSYS软件建立水轮机顶盖三维模型；
步骤二、设定材料参数，在ANSYS软件中建立水轮机顶盖材料的弹性模量、泊松比、密度；
步骤三、施加边界条件，在水轮机顶盖与座环把合螺栓分布圆上施加轴向约束；
步骤四、进行模态求解，求解质量阻尼α和刚度阻尼β，并退出ANSYS软件的solution求解器；
步骤五、将水轮机转轮模型试验获得的压力脉动载荷数据转换成真机顶盖过流面压力脉动载荷数据；
步骤六、重新进入ANSYS软件的solution求解器，进行压力脉动载荷的施加；
步骤七、设定求解选项并求解：
采用瞬态响应分析方法进行水轮机顶盖的振动计算，设定每个子步的时间步长、载荷步结束时间、质量阻尼α和刚度阻尼β，在ANSYS中设定求解选项后，进行分析计算；
步骤八、结果分析：
计算完成后，在ANSYS软件中的时间后处理模块TimeHist Postpro获取在压力脉动载荷作用下水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向的位移振动响应曲线和振动频率曲线，从而确定水轮机顶盖振动数值，包括顶盖垂直振动幅值和振动主频率。
进一步地，步骤四所述的进行模态求解求解质量阻尼α和刚度阻尼β的具体过程如下：
模态求解方程为：
其中：f为水轮机顶盖的固有频率，ξ为阻尼比；
确定水轮机顶盖的固有频率中的最低阶固有频率和最高阶固有频率，并代入模态求解方程确定质量阻尼α和刚度阻尼β。
进一步地，步骤四所述的ξ为阻尼比取0.05。
进一步地，步骤五所述的将水轮机转轮模型试验获得的压力脉动载荷数据转换成真机顶盖过流面压力脉动载荷数据，具体过程如下：
首先将水轮机转轮模型试验得到的压力脉动数据导出成txt文本格式，然后用EXCEL电子表格打开导出的txt文本格式压力脉动数据；
将水轮机转轮模型试验数据采集的时间列均乘以转速比系数得到处理后的时间列；转速比系数为模型试验转速nm与真机额定转速nr之比；
将水轮机转轮模型试验数据采集的压力脉动幅值列均乘以水头比系数得到处理后的压力脉动幅值列；水头比系数为真机工作水头Hp与模型工作水头Hm之比；
然后仍保存成txt文本格式，获得水轮机顶盖过流面压力脉动载荷数据。
进一步地，步骤六所述重新进入ANSYS软件的solution求解器进行压力脉动载荷的施加的具体过程如下：
首先在ANSYS软件中定义Table表格数组，每个Table表格数组的列数等于水轮机转轮模型试验时过流面压力脉动采样点数，然后分别读入水轮机顶盖过流面压力脉动载荷数据的txt文本格式数据，进行压力脉动载荷的施加。
进一步地，步骤七中设定每个子步的时间步长为0.002977s，载荷步结束时间为3.2s。
本发明具有以下有益效果：
与以往水轮机顶盖的静强度计算方法相比，本发明的优点是通过瞬态响应分析技术计算顶盖的瞬态受迫振动，能够预测顶盖持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能够成功的克服共振、疲劳及其它受迫振动引起的有害效果，从而导致了通过本发明设计出的水轮机顶盖真机在振动特性上是百分之百的满足振动要求的，避免了后期制造水轮机真机不满足要求导致的浪费或者因为振动导致的机组安全稳定性问题。即，本发明能够在水轮机顶盖的结构设计阶段就根据转轮模型试验的压力脉动数据计算顶盖振动，评估顶盖的振动性能，最大限度的降低机组投运行后，因顶盖振动而引发的机组安全稳定性问题。
附图说明
图1为具体实施方式中某水轮机顶盖的简化三维有限元模型图；
图2为具体实施方式中水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向的位移振动响应曲线；
图3为具体实施方式中水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向的振动频率曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：
一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，包括以下步骤：
如图1所示，为某水轮机顶盖的简化三维有限元模型图，使用某水轮机顶盖作为本实施方式的分析对象；
步骤一、按某水轮机顶盖结构设计图纸采用ANSYS软件建立简化水轮机顶盖三维模型，忽略水轮机顶盖与座环把合螺栓孔，不考虑焊缝、细小过渡圆角及筋板上的应力集中释放孔；
步骤二、设定材料参数，在ANSYS软件中建立某水轮机顶盖材料的弹性模量(N/m2)、泊松比、密度(kg/m3)，详细的参数见下表：
弹性模量(N/m<sup>2</sup>) 泊松比 密度(kg/m<sup>3</sup>)
2.068×10<sup>11</sup> 0.30 7.85×10<sup>3</sup>
步骤三、施加边界条件，在水轮机顶盖与座环把合螺栓分布圆上施加轴向约束；
步骤四、进行模态求解，求解质量阻尼α和刚度阻尼β，并退出ANSYS软件的solution求解器，具体过程如下：
模态求解方程为：
其中：f为水轮机顶盖的固有频率，ξ为阻尼比，一般取0.05；
确定水轮机顶盖的固有频率中的最低阶固有频率和最高阶固有频率，并代入模态求解方程确定质量阻尼α和刚度阻尼β；
某水轮机顶盖的固有频率为35.1Hz，49.5Hz，62.2Hz，79.5Hz，即f1＝35.1Hz，f2＝79.5Hz，将f1＝35.1Hz，f2＝79.5Hz，ξ＝0.05代入两个联立方程：
ξ＝α/(4πf1)+βπf1
ξ＝α/(4πf2)+βπf2
其中：f1为我们所关心频率范围内的水轮机顶盖最低阶固有频率，
f2为我们所关心频率范围内的水轮机顶盖最高阶固有频率；
求得α＝15.23和β＝1.39×10-4；
步骤五、将水轮机转轮模型试验获得的压力脉动载荷数据转换成真机顶盖过流面压力脉动载荷数据，具体过程如下：
在与外界无显著相互作用的较好工况下，水轮机转轮模型试验压力脉动幅值定量结果可直接转换到真机上，首先将水轮机转轮模型试验(利用与水轮机真机的真机模型进行试验)得到的压力脉动数据导出成txt文本格式，然后用EXCEL电子表格打开导出的txt文本格式压力脉动数据；
将水轮机转轮模型试验数据采集的时间列均乘以转速比系数得到处理后的时间列(真机的时间数据)；转速比系数为模型试验转速nm与真机额定转速nr之比；
将水轮机转轮模型试验数据采集的压力脉动幅值列均乘以水头比系数得到处理后的压力脉动幅值列(真机的压力脉动幅值数据)；水头比系数为真机工作水头Hp与模型工作水头Hm之比；
然后仍保存成txt文本格式，并排好格式，时间和压力之间用Tab制表键隔开，从而获得水轮机(真机)顶盖过流面压力脉动载荷数据；
步骤六、重新进入ANSYS软件的solution求解器，进行压力脉动载荷的施加，具体过程如下：
水轮机顶盖受到的压力脉动载荷是随时间变化的，采用数据表的方式来加载，首先在ANSYS软件中定义Table表格数组，数量和水轮机转轮模型压力脉动测点相同，每个Table表格数组的列数等于水轮机转轮模型试验时过流面压力脉动采样点数，然后分别读入水轮机(真机)顶盖过流面压力脉动载荷数据的txt文本格式数据，进行压力脉动载荷的施加；
步骤七、设定求解选项并求解：
由于水轮机顶盖受到的压力脉动载荷是随时间变化的，采用瞬态响应分析方法进行水轮机顶盖的振动计算，设定每个子步的时间步长为0.002977s，载荷步结束时间为3.2s，质量阻尼α＝15.23，β＝1.39×10-4，在ANSYS中设定求解选项后，进行分析计算；
步骤八、结果分析：
计算完成后，在ANSYS软件中的时间后处理模块TimeHist Postpro获取在压力脉动载荷作用下水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向关键节点的位移振动响应曲线和振动频率曲线，从而确定水轮机顶盖振动数值，包括顶盖垂直振动幅值和振动主频率。如图2和图3所示，图2为水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向的位移振动响应曲线，横坐标为时间，纵坐标为振动幅值。通过图2的结果处理后得到顶盖垂直振动幅值为5.7μm和5.9μm。图3为水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向的振动频率曲线横坐标为频率，纵坐标为振动幅值。振动主频率23.4Hz，即为叶片的过流频率。根据标准GB/T 6075.5-2002，其计算结果振动峰峰值未超过50μm，满足标准规定的限值，从而验证了水轮机顶盖的振动性能很好，水轮机顶盖结构设计是可靠的。

Claims (8)

1.一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按水轮机顶盖结构设计图纸采用ANSYS软件建立水轮机顶盖三维模型；
步骤二、设定材料参数，在ANSYS软件中建立水轮机顶盖材料的弹性模量、泊松比、密度；
步骤三、施加边界条件，在水轮机顶盖与座环把合螺栓分布圆上施加轴向约束；
步骤四、进行模态求解，求解质量阻尼α和刚度阻尼β，并退出ANSYS软件的solution求解器；
步骤五、将水轮机转轮模型试验获得的压力脉动载荷数据转换成真机顶盖过流面压力脉动载荷数据；
步骤六、重新进入ANSYS软件的solution求解器，进行压力脉动载荷的施加；
步骤七、设定求解选项并求解：
采用瞬态响应分析方法进行水轮机顶盖的振动计算，设定每个子步的时间步长、载荷步结束时间、质量阻尼α和刚度阻尼β，在ANSYS中设定求解选项后，进行分析计算；
步骤八、结果分析：
计算完成后，在ANSYS软件中的时间后处理模块TimeHist Postpro获取在压力脉动载荷作用下水轮机顶盖水导轴承处+X、+Y两个方向的位移振动响应曲线和振动频率曲线，从而确定水轮机顶盖振动数值，包括顶盖垂直振动幅值和振动主频率。
2.根据权利要求1所述的一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，步骤四所述的进行模态求解求解质量阻尼α和刚度阻尼β的具体过程如下：
模态求解方程为：
其中：f为水轮机顶盖的固有频率，ξ为阻尼比；
确定水轮机顶盖的固有频率中的最低阶固有频率和最高阶固有频率，并代入模态求解方程确定质量阻尼α和刚度阻尼β。
3.根据权利要求2所述的一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，步骤四所述的ξ为阻尼比取0.05。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，步骤五所述的将水轮机转轮模型试验获得的压力脉动载荷数据转换成真机顶盖过流面压力脉动载荷数据，具体过程如下：
首先将水轮机转轮模型试验得到的压力脉动数据导出成txt文本格式，然后用EXCEL电子表格打开导出的txt文本格式压力脉动数据；
将水轮机转轮模型试验数据采集的时间列均乘以转速比系数得到处理后的时间列；转速比系数为模型试验转速nm与真机额定转速nr之比；
将水轮机转轮模型试验数据采集的压力脉动幅值列均乘以水头比系数得到处理后的压力脉动幅值列；水头比系数为真机工作水头Hp与模型工作水头Hm之比；
然后仍保存成txt文本格式，获得水轮机顶盖过流面压力脉动载荷数据。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，步骤六所述重新进入ANSYS软件的solution求解器进行压力脉动载荷的施加的具体过程如下：
首先在ANSYS软件中定义Table表格数组，每个Table表格数组的列数等于水轮机转轮模型试验时过流面压力脉动采样点数，然后分别读入水轮机顶盖过流面压力脉动载荷数据的txt文本格式数据，进行压力脉动载荷的施加。
6.根据权利要求4所述的一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，步骤六所述重新进入ANSYS软件的solution求解器进行压力脉动载荷的施加的具体过程如下：
首先在ANSYS软件中定义Table表格数组，每个Table表格数组的列数等于水轮机转轮模型试验时过流面压力脉动采样点数，然后分别读入水轮机顶盖过流面压力脉动载荷数据的txt文本格式数据，进行压力脉动载荷的施加。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，步骤七中设定每个子步的时间步长为0.002977s，载荷步结束时间为3.2s。
8.根据权利要求6所述的一种水轮机顶盖振动数值的确定方法，其特征在于，步骤七中设定每个子步的时间步长为0.002977s，载荷步结束时间为3.2s。
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