CN111767873B - 一种水轮机活动导叶流场叠加振动频率判别的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水轮机活动导叶流场叠加振动频率判别的方法。通过对水轮机活动导叶在水中的有限元数值计算、经典公式计算以及水轮机的振动试验测试，压力脉动试验测试，并对提取的水轮机活动导叶的计算频率和水轮机的频率进行对比分析，当其完全一致时，识别得到水轮机活动导叶的流场叠加振动频率。本发明可以应用于识别水轮机活动导叶流场叠加产生振动频率，这种方法可有效识别水轮机活动导叶是否存在流场叠加振动频率的问题，并在制造、安装和检修时及时发现问题的存在，避免活动导叶运行时产生流场叠加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

一种水轮机活动导叶流场叠加振动频率判别的方法
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活动导叶流场叠加振动频率判别的方法。
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流场叠加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流场叠加可能会引起活动导叶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。由流场叠加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，针对混流式机组流场叠加现象，从形成机理、结构、叶栅组合和试验测试等方面需进行分析。在设计和试验阶段，如何准确识别水轮机活动导叶流场叠加振动频率，对于预防流场叠加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活动导叶流场叠加振动判别的方法，以解决水轮机流场叠加振动的问题。本发明技术方案为：一种水轮机活动导叶流场叠加振动判别的方法，包括如下步骤：
1)由公式nZg±k＝mZr计算得到作用于活动导叶上的水力激振的谐波频率fs＝mZrfn，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：活动导叶叶片的数量，k：因流场叠加而产生水压脉动的模式的直径节数，n,m：任意整数；
2)对水轮机活动导叶和活动导叶周围水体进行三维建模，设定材料参数，给定活动导叶材料的泊松比、弹性模量和材料密度，施加边界条件，对活动导叶和水体边界进行约束，进行模态分析，得到并提取活动导叶在水中的固有频率值；
3)对提取的活动导叶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活动导叶在水中的固有频率值相一致，当一致时，得到水轮机活动导叶的计算流场叠加振动频率；
4)在水轮机的引水管，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，测得动态时水轮机各个位置压力脉动的主要频率；
6)对水轮机测得的振动频率和压力脉动的主要频率进行对比分析，确定测得的振动频率和压力脉动的主要频率是否相一致，当一致时，得到水轮机的测试流场叠加振动频率；
7)对水轮机的测试流场叠加振动频率和水轮机活动导叶计算流场叠加振动频率对比分析，当水轮机测试流场叠加振动频率和水轮机活动导叶计算流场叠加振动频率相一致时，从而识别得到水轮机活动导叶的流场叠加振动频率。
本发明要解决的主要问题有：
1、运用该方法能得到活动导叶在水中振动频率的有限元数值以及经典公式计算得到的活动导叶流场叠加振动频率，并通过水轮机的试验得到影响活动导叶的振动频率和压力脉动频率。
2、通过对测试得到的水轮机流场叠加振动频率和活动导叶计算流场叠加振动频率对比分析，识别得到水轮机活动导叶的流场叠加振动频率。
工作原理
近年来，某些电站投入运行后不久转轮就出现了裂纹，其主要原因是水轮机流场叠加振动的幅值非常高，对由流场叠加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。
从转动系统看，引起活动导叶振动的主要激振频率是作用于活动导叶、顶盖和底环上的水力激振的谐振频率，主要为叶片得过流频率fs及其倍频fs＝mZrfn。为此，要准确计算出活动导叶在水中的固有频率，并以试验测试，以得到避免活动导叶固有频率与流场叠加的激振频率接近，这样的方法更接近实际特性，可以有效的避免流场叠加频率与活动导叶固有频率共振。
附图说明
图1为活动导叶在水中的固有频率计算系统框图
图2为活动导叶流场叠加振动频率的振动试验测量系统框图
图3为活动导叶流场叠加振动频率的压力脉动试验测量系统框图
图4为实现本发明的操作流程
具体实施方式
1)由公式nZg±k＝mZr计算得到作用于活动导叶上的水力激振的谐波频率fs＝mZrfn，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：活动导叶叶片的数量，k：因流场叠加而产生水压脉动的模式的直径节数，n,m：任意整数；
2)如图1所示，对水轮机活动导叶和活动导叶周围水体进行三维建模，设定材料参数，给定活动导叶材料的泊松比、弹性模量和材料密度，施加边界条件，对活动导叶和水体边界进行约束，进行模态分析，得到并提取活动导叶在水中的固有频率值；
3)对提取的活动导叶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活动导叶在水中的固有频率值相一致，当一致时，得到水轮机活动导叶的计算流场叠加振动频率；
4)如图2所示，在水轮机的引水管，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，测得动态时水轮机各个位置振动的主要频率；
5)如图3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，测得动态时水轮机各个位置压力脉动的主要频率；
6)对水轮机测得的振动频率和压力脉动的主要频率进行对比分析，确定测得的振动频率和压力脉动的主要频率是否相一致，当一致时，得到水轮机的测试流场叠加振动频率；
7)对水轮机的测试流场叠加振动频率和水轮机活动导叶计算流场叠加振动频率对比分析，当水轮机测试流场叠加振动频率和水轮机活动导叶计算流场叠加振动频率相一致时，从而识别得到水轮机活动导叶的流场叠加振动频率，如图4所示，为实现本发明的操作流程。

Claims (1)

1.一种水轮机活动导叶流场叠加振动频率判别的方法，其特征是：包括如下步骤：
1)由公式nZg±k＝mZr计算得到作用于活动导叶上的水力激振的谐波频率fs＝mZrfn，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：活动导叶叶片的数量，k：因流场叠加而产生水压脉动的模式的直径节数，n,m：任意整数；
2)对水轮机活动导叶和活动导叶周围水体进行三维建模，设定材料参数，给定活动导叶材料的泊松比、弹性模量和材料密度，施加边界条件，对活动导叶和水体边界进行约束，进行模态分析，得到并提取活动导叶在水中的固有频率值；
3)对提取的活动导叶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活动导叶在水中的固有频率值相一致，当一致时，得到水轮机活动导叶的计算流场叠加振动频率；
4)在水轮机的引水管，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，测得动态时水轮机各个位置压力脉动的主要频率；
6)对水轮机测得的振动频率和压力脉动的主要频率进行对比分析，确定测得的振动频率和压力脉动的主要频率是否相一致，当一致时，得到水轮机的测试流场叠加振动频率；
7)对水轮机的测试流场叠加振动频率和水轮机活动导叶计算流场叠加振动频率对比分析，当水轮机测试流场叠加振动频率和水轮机活动导叶计算流场叠加振动频率相一致时，从而识别得到水轮机活动导叶的流场叠加振动频率。
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