CN111608842B - 一种水轮机顶盖径向刚度检验的方法 - Google Patents

一种水轮机顶盖径向刚度检验的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水轮机顶盖径向刚度检验的方法。在水轮机顶盖上盖板的前部、中部和后部，顶盖下盖板的前部和后部，以低频振动位移传感器进行径向振动位移的测量，得到各个位置的振动位移幅值，并通过理论计算公式计算得到顶盖上下盖板相应各个位置的理论变形数值，本发明可以应用于水轮机顶盖径向刚度的检验，可有效检验顶盖径向刚度不足的问题，并在运行和检修时及时发现问题的存在，避免机组运行时水轮机顶盖产生较大的水平振动和形变，从而产生较大的破坏，以保证水轮发电机组长期安全稳定运行。

Description

一种水轮机顶盖径向刚度检验的方法
技术领域
本发明涉及水轮机领域，尤其涉及一种顶盖径向刚度检验的方法。
背景技术
顶盖作为水轮机的固定支撑部件和主要的过流部件，其在机组运行过程中，主要承担水轮机活动导叶旋转控制机构所传递的静载荷，又将受到流道中水力作用在顶盖上的轴向水推力、径向不平衡力以及压力脉动等动载荷，顶盖在水轮机运行过程中由于受到以上各种载荷的作用，导致其在轴向和径向均存在相当程度的变形量，这种变形将与机组水力振动相叠加导致顶盖在机组动态运行过程中产生一定幅值的振动，振动的大小将决定机组运行的可靠性，并且由于水轮机主轴水导轴承及其附属部件所受径向载荷均由顶盖来承受，因此顶盖径向刚度的强弱将直接关系到机组的稳定运行与否。
当顶盖刚度较小时，机组水导摆度与顶盖水平振动均无法满足水轮发电机组旋转部件和固定部件振动的国家标准要求，从机组设计安装来看，顶盖刚度过大时又会造成材料的浪费和整体重量的增加，不利于机组的运输和安装，因此合适的机组刚度，对于水轮发电机组的设计是需要考虑的，为考察机组径向刚度能否满足要求，以试验的方法来验证设计阶段顶盖径向刚度设计的合理性是必要的。
在水轮机运行过程中，顶盖所受静态径向载荷明显小于动态径向载荷，此时动态刚度会明显小于静态刚度，因此，在一些机组运行过程中较为突出表现出水导轴承摆度与顶盖径向振动较大的现象，明显超出国家标准要求，无法通过动平衡等其他方法进行径向载荷的再平衡，这对机组运行的稳定性产生较大的危害性。
本发明以试验测试结合理论分析的方法，验证判别水轮机顶盖在径向静刚度满足要求时，动态稳定工况运行时径向动刚度能否满足使用要求，从而指导设计人员合理设计顶盖的上下盖板以及筋板厚度，避免顶盖径向刚度设计不合理对于经济性和安全性带来的不确定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种水轮机顶盖径向刚度检验的方法，以解决水轮机顶盖径向刚度无法满足使用要求的问题。本发明技术方案为：
1、一种水轮机顶盖径向刚度检验的方法，包括如下步骤：
1)在水轮机顶盖上盖板的前部A，中部B和后部C以及顶盖下盖板的前部D和后部E处安装布置振动位移传感器，在机组动态稳定工况运行时，对水轮机顶盖的径向振动以动态数据分析仪进行采集后，将振动信号经放大后转换为0～5V的电压信号，经A/D转换后被数据采集器接收，并传送给计算机；
2)对顶盖进行振动试验分析，从振动位移传感器测试得到的响应信号加矩形窗，即在时域中通过乘法运算把矩形窗函数ma，叠加于原始信号mb，从而得到用于频谱分析的信号mc、经过快速傅立叶变换后得到结构的频响函数xc，并进行分析拟合，从而得到水轮机顶盖各测试部位的径向振动位移数值δsy；
3)顶盖简化为刚性环，以机组中心线作为对称轴，根据刚性环变形原则，即圆环有径向和转角变形，横截面不变形，考虑到顶盖为轴对称结构，由顶盖轴向平衡条件：
Figure RE-GDA0002577961920000031
两边同除2πRG，得：
Figure RE-GDA0002577961920000032
顶盖质心转角θG：
Figure RE-GDA0002577961920000033
顶盖质心径向变形δRG：
Figure RE-GDA0002577961920000034
对任意点N，径向变形δRN为：
δRN＝δRG-(ZN-ZG)θG
这里，G：轴对称剖面质心，质心G点坐标为RG,ZG；
S：不含肋板的轴对称剖面面积；
I-I：通过质心G点沿R方向轴；
I：绕I-I轴惯性矩；
Pij：从i点到j点水压力；
fG：顶盖质心G点所受径向力；
θG：顶盖质心G点转角；
δRG：顶盖质心G点径向变形；
δRN：顶盖N点径向变形；
fR、fz：顶盖上某点A所受径向力、轴向力；
RA、RN、Ri、Rj、RG：A点、N点、i点、j点、G点径向坐标；
ZA、ZN、Zi、Zj、ZG：A点、N点、i点、j点、G点轴向坐标；
E：弹性模量，取值为2.068E+05MPa；
π：取值为3.14；
对顶盖上盖板A、B、C三处和顶盖下盖板D、E两处的径向变形分别进行计算，得到各个位置的理论计算变形数值δll；
4)以水轮机顶盖各测试部位的径向振动位移数值δsy和理论计算变形数值δll为基础，判断出水轮机顶盖径向刚度是否满足使用要求，具体方法如下：
将顶盖理论计算变形数值δll与顶盖上盖板A、B、C三处和顶盖下盖板D、E两处测得的径向振动位移数值相比较，当顶盖上盖板A、B、 C三点的任意两点试验的径向振动位移数值δsy≥理论计算变形数值δll的125％时，即判定顶盖上盖板径向刚度不足，当顶盖下盖板D、E 两点的试验的径向振动位移数值δsy≥理论计算变形数值δll的125％时，即判定顶盖下盖板径向刚度不足。
本发明要解决的主要问题有：
1、通过顶盖振动测试得到动态稳定运行时顶盖上下盖板各个位置的振动位移幅值，以及数值分析得到顶盖上下盖板各个位置的变形理论数值；
2、通过对顶盖静态计算刚度与动态测试刚度的比值进行分析判定顶盖是否存在径向刚度不足。
工作原理
水轮发电机组在运行过程时，顶盖作为重要的过流部件和支撑部件，需承担水力不平衡力和水导轴承所传递的轴系径向振摆力，顶盖所受静态径向载荷明显小于动态径向载荷，此时动态刚度会明显小于静态刚度，因此，在一些机组运行过程中较为突出表现出水导轴承摆度与顶盖径向振动较大的现象，明显超出国家标准要求，无法通过动平衡等其他方法进行径向载荷的再平衡，这对机组运行的稳定性产生较大的危害性，当水轮发电机组整体安装完成并投入运行后，如何判断水轮机顶盖刚度是否出现问题，对于检修和预防该问题的出现具有重要意义。
技术效果
本发明的运用结果证明：通过该方法，能方便、快速的判断出水轮机顶盖水平振动过大的原因，解决水轮机设计和运行过程中存在的顶盖径向刚度不足问题，从而指导设计人员合理设计顶盖的上下盖板以及筋板厚度，避免顶盖径向刚度设计不合理对于经济性和安全性带来的不确定性，保证机组能长期稳定运行，该判断方法操作简单、测量准确、判定容易。
附图说明
图1为顶盖试验振动位移传感器安装位置示意图
图2为水轮机顶盖试验测量分析系统框图
图3为顶盖理论变形计算结构示意图
图4为实现本发明的操作流程
具体实施方式
如图1所示，在水轮机顶盖上盖板的前部A，中部B和后部C以及顶盖下盖板的前部D和后部E处安装布置振动位移传感器，在机组动态稳定工况运行时，对水轮机顶盖的径向振动以动态数据分析仪进行采集后，将振动信号经放大后转换为0～5V的电压信号，经A/D转换后被数据采集器接收，并传送给计算机；
如图2所示，对顶盖进行振动试验分析，从振动位移传感器测试得到的响应信号加矩形窗，即在时域中通过乘法运算把矩形窗函数 ma，叠加于原始信号mb，从而得到用于频谱分析的信号mc、经过快速傅立叶变换后得到结构的频响函数xc，并进行分析拟合，从而得到水轮机顶盖各测试部位的径向振动位移数值δsy；
如图3所示，顶盖简化为刚性环，以机组中心线作为对称轴，根据刚性环变形原则，即圆环有径向和转角变形，横截面不变形，考虑到顶盖为轴对称结构，由顶盖轴向平衡条件：
Figure RE-GDA0002577961920000071
两边同除2πRG，得：
Figure RE-GDA0002577961920000072
顶盖质心转角θG：
Figure RE-GDA0002577961920000073
顶盖质心径向变形δRG：
Figure RE-GDA0002577961920000074
对任意点N，径向变形δRN为：
δRN＝δRG-(ZN-ZG)θG
这里，G：轴对称剖面质心，质心G点坐标为RG,ZG；
S：不含肋板的轴对称剖面面积；
I-I：通过质心G点沿R方向轴；
I：绕I-I轴惯性矩；
Pij：从i点到j点水压力；
fG：顶盖质心G点所受径向力；
θG：顶盖质心G点转角；
δRG：顶盖质心G点径向变形；
δRN：顶盖N点径向变形；
fR、fz：顶盖上某点A所受径向力、轴向力；
RA、RN、Ri、Rj、RG：A点、N点、i点、j点、G点径向坐标；
ZA、ZN、Zi、Zj、ZG：A点、N点、i点、j点、G点轴向坐标；
E：弹性模量，取值为2.068E+05MPa；
π：取值为3.14；
对顶盖上盖板A、B、C三处和顶盖下盖板D、E两处的径向变形分别进行计算，得到各个位置的理论计算变形数值δll；
以水轮机顶盖各测试部位的径向振动位移数值δsy和理论计算变形数值δll为基础，判断出水轮机顶盖径向刚度是否满足使用要求，具体方法如下：
将顶盖理论计算变形数值δll与顶盖上盖板A、B、C三处和顶盖下盖板D、E两处测得的径向振动位移数值相比较，当顶盖上盖板A、B、 C三点的任意两点试验的径向振动位移数值δsy≥理论计算变形数值δll的125％时，即判定顶盖上盖板径向刚度不足，当顶盖下盖板D、E 两点的试验的径向振动位移数值δsy≥理论计算变形数值δll的125％时，即判定顶盖下盖板径向刚度不足，如图4所示，为实现本发明的操作流程。

Claims (1)

1.一种水轮机顶盖径向刚度检验的方法，其特征是：包括如下步骤：
1)在水轮机顶盖上盖板的前部A，中部B和后部C以及顶盖下盖板的前部D和后部E处安装布置振动位移传感器，在机组动态稳定工况运行时，对水轮机顶盖的径向振动以动态数据分析仪进行采集后，将振动信号经放大后转换为0～5V的电压信号，经A/D转换后被数据采集器接收，并传送给计算机；
2)对顶盖进行振动试验分析，从振动位移传感器测试得到的响应信号加矩形窗，即在时域中通过乘法运算把矩形窗函数ma，叠加于原始信号mb，从而得到用于频谱分析的信号mc、经过快速傅立叶变换后得到结构的频响函数xc，并进行分析拟合，从而得到水轮机顶盖各测试部位的径向振动位移数值δsy；
3)顶盖简化为刚性环，以机组中心线作为对称轴，根据刚性环变形原则，即圆环有径向和转角变形，横截面不变形，考虑到顶盖为轴对称结构，由顶盖轴向平衡条件：
Figure RE-FDA0002577961910000011
两边同除2πRG，得：
Figure RE-FDA0002577961910000012
顶盖质心转角θG：
Figure RE-FDA0002577961910000021
顶盖质心径向变形δRG：
Figure RE-FDA0002577961910000022
对任意点N，径向变形δRN为：
δRN＝δRG-(ZN-ZG)θG
这里，G：轴对称剖面质心，质心G点坐标为RG,ZG；
S：不含肋板的轴对称剖面面积；
I-I：通过质心G点沿R方向轴；
I：绕I-I轴惯性矩；
Pij：从i点到j点水压力；
fG：顶盖质心G点所受径向力；
θG：顶盖质心G点转角；
δRG：顶盖质心G点径向变形；
δRN：顶盖N点径向变形；
fR、fz：顶盖上某点A所受径向力、轴向力；
RA、RN、Ri、Rj、RG：A点、N点、i点、j点、G点径向坐标；
ZA、ZN、Zi、Zj、ZG：A点、N点、i点、j点、G点轴向坐标；
E：弹性模量，取值为2.068E+05MPa；
π：取值为3.14；
对顶盖上盖板A、B、C三处和顶盖下盖板D、E两处的径向变形分别进行计算，得到各个位置的理论计算变形数值δll；
4)以水轮机顶盖各测试部位的径向振动位移数值δsy和理论计算变形数值δll为基础，判断出水轮机顶盖径向刚度是否满足使用要求，具体方法如下：
将顶盖理论计算变形数值δll与顶盖上盖板A、B、C三处和顶盖下盖板D、E两处测得的径向振动位移数值相比较，当顶盖上盖板A、B、C三点的任意两点试验的径向振动位移数值δsy≥理论计算变形数值δll的125％时，即判定顶盖上盖板径向刚度不足，当顶盖下盖板D、E两点的试验的径向振动位移数值δsy≥理论计算变形数值δll的125％时，即判定顶盖下盖板径向刚度不足。
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