CN111739160B - 一种水轮机转轮动静干涉振动频率识别的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水轮机转轮动静干涉振动频率识别的方法。通过对水轮机转轮在水中的有限元数值计算、经典公式计算以及水轮机模型机的振动试验测试，压力脉动试验测试，并对提取的水轮机转轮的计算频率和水轮机模型机的频率进行对比分析，当其完全一致时，识别得到水轮机转轮的动静干涉振动频率。本发明可以应用于水轮机转轮动静干涉振动的识别，这种方法可有效识别水轮机转轮是否存在动静干涉振动频率的问题，并在制造、安装和检修时及时发现问题的存在，避免转轮运行时产生动静干涉振动造成水轮机基础和顶盖等固定部件的振动异常现象，保证发电机组长期稳定运行。

Description

一种水轮机转轮动静干涉振动频率识别的方法
技术领域
本发明涉及一种水轮机振动领域，尤其涉及一种水轮机转轮动静干涉振动频率识别的方法。
背景技术
目前，我国水电站的装机规模和机组单机容量越来越大。装机容量巨大的水电站机组，无一例外地采用大型混流式水轮发电机组。随着水头、尺寸和容量的不断增加，机组及其支承系统的刚度相对较低，大型机组在运行中也陆续发生了一些不稳定问题，有机械、电气的原因，也存在水力上的因素。转轮叶片和导叶之间的动静干涉引起的水力不稳定现象就是其中之一。
多年来，在水泵水轮机中，由于转轮叶片和导叶之间的动静干涉可能会引起转轮叶片进口发生裂纹或结构振动。国内外专家、学者对此进行过深入的研究，所以其对结构的影响被广为认可和熟知。由动静干涉引起的高动态应力的风险同样存在于混流式机组中，尤其是高水头机组中。为此，针对混流式机组动静干涉现象，从形成机理、结构、叶栅组合和试验测试等方面需进行分析。在设计和模型试验阶段，如何准确识别水轮机转轮动静干涉振动频率，对于预防动静干涉振动问题的出现具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种水轮机转轮动静干涉振动识别的方法，以解决水轮机动静干涉振动的问题。技术方案包括如下步骤：
1)对水轮机转轮和转轮周围水体进行三维建模，设定材料参数，给定转轮材料的泊松比、弹性模量和材料密度，施加边界条件，对转轮和水体边界进行约束，进行模态分析，得到并提取转轮在水中的固有频率值；
2)由公式nZg±k＝mZr计算得到作用于转轮上的水力激振的谐波频率fs＝nZgfn，在公式中，fs：水力激振的谐波频率，fn：机组转频，Zg：活动导叶的数量，Zr：转轮叶片的数量，k：因动静干涉而产生水压脉动的模式的直径节数，n,m：任意整数；
3)对提取的转轮在水中的固有频率值与公式计算的水力激振的谐波频率对比分析，确定水轮机水力激振的谐波频率是否与转轮在水中的固有频率值相一致，当一致时，得到水轮机转轮的计算动静干涉振动频率；
4)在水轮机模型机的引水管，顶盖+X，-X，+Y，-Y四个方向，蜗壳+X，-X，+Y，-Y四个方向，锥管、肘管内侧、外侧，尾水管上布置加速度振动传感器，拾取振动信号将测得的振动信号转化成0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机模型机各个位置振动的主要频率；
5)在蜗壳进口、导叶与转轮间+X方向、导叶与转轮间+Y方向、底环与转轮间+X方向，顶盖与转轮间+X方向，固定导叶与活动导叶间，肘管、锥管的0.4倍转轮出水边公称直径上游侧和锥管的0.4倍转轮出水边公称直径下游侧布置差压变送器，拾取压力脉动信号将测得的压力脉动信号转化为0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机模型机各个位置压力脉动的主要频率；
6)对水轮机模型机测得的各个位置振动的主要频率和压力脉动频率进行对比分析，确定测得的各个位置振动的主要频率和压力脉动频率是否相一致，当一致时，得到水轮机模型机的测试动静干涉振动频率；
7)对水轮机模型机的测试动静干涉振动频率和水轮机转轮计算动静干涉振动频率对比分析，当水轮机模型机测试动静干涉振动频率和水轮机转轮计算动静干涉振动频率相一致时，从而识别得到水轮机转轮的动静干涉振动频率。
本发明要解决的主要问题有：
1、运用该方法能得到转轮在水中振动频率的有限元数值以及经典公式计算得到的转轮动静干涉振动频率，并通过水轮机模型机的试验得到影响转轮的振动频率和压力脉动频率。
2、通过对测试得到的水轮机动静干涉振动频率和转轮计算动静干涉振动频率对比分析，识别得到水轮机转轮的动静干涉振动频率。
工作原理
近年来，某些电站投入运行后不久就出现了转轮裂纹，其主要原因是水轮机动静干涉的幅值非常高，且转轮在水中的固有频率与活动导叶的激振频率非常接近。对由动静干涉引起的激振模态与对应的振动模态发生的共振是必须避免的。
引起转轮振动的主要激振频率是转频与导叶个数的乘积Zgfn，同时还要考虑转轮叶片与导叶之间动静干涉，作用于转轮上的水力激振的谐振频率nZgfn。为此，要准确计算出转轮在水中的固有频率，并以模型机试验测试得到的避免转轮固有频率与动静干涉的激振频率接近，这样的方法更接近实际特性，可以有效的避免动静干涉频率与转轮固有频率共振。
附图说明
图1为转轮动静干涉振动频率的振动试验测量系统框图
图2为转轮动静干涉振动频率的压力脉动试验测量系统框图
图3为实现本发明的操作流程
具体实施方式
1)对水轮机转轮和转轮周围水体进行三维建模，设定材料参数，
给定转轮材料的泊松比、弹性模量和材料密度，施加边界条件，对转轮和水体边界进行约束，进行模态分析，得到并提取转轮在水中的固有频率值；
2)由公式nZg±k＝mZr计算得到作用于转轮上的水力激振的谐波频率fs＝nZgfn，在公式中，fs：水力激振的谐波频率，fn：机组转频，Zg：活动导叶的数量，Zr：转轮叶片的数量，k：因动静干涉而产生水压脉动的模式的直径节数，n,m：任意整数；
3)对提取的转轮在水中的固有频率值与公式计算的水力激振的谐波频率对比分析，确定水轮机水力激振的谐波频率是否与转轮在水中的固有频率值相一致，当一致时，得到水轮机转轮的计算动静干涉振动频率；
4)如图1所示，在水轮机模型机的引水管，顶盖+X，-X，+Y，-Y四个方向位置，蜗壳+X，-X，+Y，-Y四个方向位置，锥管、肘管内侧、外侧，尾水管上布置加速度振动传感器，拾取振动信号将测得的振动信号转化成0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机模型机各个位置振动的主要频率；
5)如图2所示，在蜗壳进口、导叶与转轮间+X方向、导叶与转轮间+Y方向、底环与转轮间+X方向，顶盖与转轮间+X方向，固定导叶与活动导叶间，肘管、锥管的0.4倍转轮出水边公称直径上游侧和锥管的0.4倍转轮出水边公称直径下游侧布置差压变送器，拾取压力脉动信号将测得的压力脉动信号转化为0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机模型机各个位置压力脉动的主要频率；
6)对水轮机模型机测得的各个位置振动的主要频率和压力脉动频率进行对比分析，确定测得的各个位置振动的主要频率和压力脉动频率是否相一致，当一致时，得到水轮机模型机的测试动静干涉振动频率；
7)对水轮机模型机的测试动静干涉振动频率和水轮机转轮计算动静干涉振动频率对比分析，当水轮机模型机测试动静干涉振动频率和水轮机转轮计算动静干涉振动频率相一致时，从而识别得到水轮机转轮的动静干涉振动频率，如图3所示，为实现本发明的操作流程。

Claims (1)

1.一种水轮机转轮动静干涉振动频率识别的方法，其特征是：包括如下步骤：
1)对水轮机转轮和转轮周围水体进行三维建模，设定材料参数，给定转轮材料的泊松比、弹性模量和材料密度，施加边界条件，对转轮和水体边界进行约束，进行模态分析，得到并提取转轮在水中的固有频率值；
2)由公式nZg±k＝mZr计算得到作用于转轮上的水力激振的谐波频率fs＝nZgfn，在公式中，fs：水力激振的谐波频率，fn：机组转频，Zg：活动导叶的数量，Zr：转轮叶片的数量，k：因动静干涉而产生水压脉动的模式的直径节数，n,m：任意整数；
3)对提取的转轮在水中的固有频率值与公式计算的水力激振的谐波频率对比分析，确定水轮机水力激振的谐波频率是否与转轮在水中的固有频率值相一致，当一致时，得到水轮机转轮的计算动静干涉振动频率；
4)在水轮机模型机的引水管，顶盖+X，-X，+Y，-Y四个方向，蜗壳+X，-X，+Y，-Y四个方向，锥管、肘管内侧、外侧，尾水管上布置加速度振动传感器，拾取振动信号将测得的振动信号转化成0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机模型机各个位置振动的主要频率；
5)在蜗壳进口、导叶与转轮间+X方向、导叶与转轮间+Y方向、底环与转轮间+X方向，顶盖与转轮间+X方向，固定导叶与活动导叶间，肘管、锥管的0.4倍转轮出水边公称直径上游侧和锥管的0.4倍转轮出水边公称直径下游侧布置差压变送器，拾取压力脉动信号将测得的压力脉动信号转化为0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机模型机各个位置压力脉动的主要频率；
6)对水轮机模型机测得的各个位置振动的主要频率和压力脉动频率进行对比分析，确定测得的各个位置振动的主要频率和压力脉动频率是否相一致，当一致时，得到水轮机模型机的测试动静干涉振动频率；
7)对水轮机模型机的测试动静干涉振动频率和水轮机转轮计算动静干涉振动频率对比分析，当水轮机模型机测试动静干涉振动频率和水轮机转轮计算动静干涉振动频率相一致时，从而识别得到水轮机转轮的动静干涉振动频率。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112378506B (zh) * 2020-10-14 2022-11-01 西安理工大学 一种贯流式水力机械转轮和外壁振动的同步测试方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5290148A (en) * 1991-03-13 1994-03-01 Kabushiki Kaisha Toshiba High head pump-turbines
JPH09212683A (ja) * 1996-02-01 1997-08-15 Hitachi Ltd 構造解析システムと構造解析方法
JP2000215218A (ja) * 1999-01-21 2000-08-04 Toshiba Corp 振動解析支援システム
CN102128674A (zh) * 2010-12-28 2011-07-20 哈尔滨电机厂有限责任公司 测量水轮机过流部件卡门涡振动的方法
CN105678025A (zh) * 2016-02-29 2016-06-15 华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂 基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法及系统
CN106870247A (zh) * 2017-02-28 2017-06-20 哈尔滨工业大学 一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法
CN107143458A (zh) * 2017-05-15 2017-09-08 中国水利水电科学研究院 一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法
CN109271684A (zh) * 2018-08-29 2019-01-25 哈尔滨工业大学 一种针对水泵水轮机在甩负荷过程的动态特性分析方法
CN109635438A (zh) * 2018-12-12 2019-04-16 哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司 一种水轮机顶盖振动数值的确定方法
CN110513242A (zh) * 2019-08-13 2019-11-29 中国水利水电科学研究院 一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法
CN111104713A (zh) * 2019-12-23 2020-05-05 中国民用航空飞行学院 一种叶-盘结构耦合振动特性分析方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5290148A (en) * 1991-03-13 1994-03-01 Kabushiki Kaisha Toshiba High head pump-turbines
JPH09212683A (ja) * 1996-02-01 1997-08-15 Hitachi Ltd 構造解析システムと構造解析方法
JP2000215218A (ja) * 1999-01-21 2000-08-04 Toshiba Corp 振動解析支援システム
CN102128674A (zh) * 2010-12-28 2011-07-20 哈尔滨电机厂有限责任公司 测量水轮机过流部件卡门涡振动的方法
CN105678025A (zh) * 2016-02-29 2016-06-15 华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂 基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法及系统
CN106870247A (zh) * 2017-02-28 2017-06-20 哈尔滨工业大学 一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法
CN107143458A (zh) * 2017-05-15 2017-09-08 中国水利水电科学研究院 一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法
CN109271684A (zh) * 2018-08-29 2019-01-25 哈尔滨工业大学 一种针对水泵水轮机在甩负荷过程的动态特性分析方法
CN109635438A (zh) * 2018-12-12 2019-04-16 哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司 一种水轮机顶盖振动数值的确定方法
CN110513242A (zh) * 2019-08-13 2019-11-29 中国水利水电科学研究院 一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法
CN111104713A (zh) * 2019-12-23 2020-05-05 中国民用航空飞行学院 一种叶-盘结构耦合振动特性分析方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
动静干涉作用下的抽水蓄能电站厂房楼板振动观测;张飞;李有军;王勇;赵博;;中国农村水利水电(第07期);全文 *
张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机动静干涉问题及处理;路建;胡清娟;谷振富;郑凯;孟晓超;易忠有;;水电与抽水蓄能(第02期);全文 *
水泵水轮机稳定性预判与对策;陈顺义;李成军;周杰;沈剑初;邱绍平;郑应霞;;水力发电(第12期);全文 *
水轮机压力脉动试验方法的研究;潘罗平;水力发电学报(第03期);全文 *
高水头混流式水轮机的动静干涉与振动问题研究;刘攀;陈学力;汪泉;李德忠;;水力发电学报(第03期);全文 *

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