CN113686378A - 一种水轮机顶盖运行状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水轮机顶盖运行状态监测方法，该方法通过建立水轮机顶盖三维模型，基于有限元结构受力分析，得到顶盖的变形或应力情况，精准定位最能表征顶盖运行状态的薄弱部位，避免对顶盖运行状态的评价受测试位置的影响；在该薄弱部位设置应变传感器和测振传感器，进行水轮机全工况运行状态下的顶盖应变测试，得到水轮机全工况运行状态下顶盖的应变值，以及水轮机稳态工况下顶盖的振动值，与应变测试数据对比，建立水轮机稳态工况下顶盖振动值与应变值的映射关系，并根据该映射关系推导其他工况下顶盖振动的幅值，建立全工况下的应变和振动的映射关系，可解决惯性式低频振动传感器因频响和振动形式造成顶盖振动数据失真的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水轮机顶盖运行状态检测方法，属于水轮机顶盖运行状态监测技术领域。
背景技术
顶盖是水轮机中重要的支撑与过流部件，由于脱流、旋涡、气蚀等水力因素导致的振动过大极易引起顶盖失效，其主要表现为顶盖裂纹、磨蚀、螺栓断裂等，俄罗斯萨杨水电站“8.17”事故原因之一，就是顶盖螺栓断裂引起，为保证顶盖的安全运行，有必要对顶盖的运行状态进行持续的监测，目前通常用振动来表征顶盖的运行状态。常规的顶盖振动测试主要存在三个方面的问题。一是采用的传感器为惯性式低频振动传感器，由于水轮机转速普遍较低，振动的频率成分最低能达到1/5-1/3转频，要求惯性式低频振动传感器具有良好的超低频特性，而惯性式低频振动传感器频域具有二阶高通特性，其固有频率限制了使用范围，低频响应易出现失真；二是在部分工况下，顶盖的振动不是规则的稳态振动，而是呈“冲击”的形式，传统的惯性式低频振动传感器对这种“冲击型”“鼓面运动”的振动特性，测试效果较差，在过渡工况、振动区工况、其他异常工况下，顶盖测试的数据不准，不能真实反映运行状态；三是顶盖是个复杂的机械结构，在哪个位置监测到的数据最能代表其运行状态，不同的顶盖类型，存在很大的不确定性。另外，关于水轮机顶盖运行的规程规范中，振动的运行限值基于机组转速划分，未考虑到顶盖本身的材料、结构等刚强度差异，不利于水电企业的精细化管理。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种利用顶盖应变来监测水轮机顶盖的运行状态的监测方法。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种水轮机顶盖运行状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
收集电站水轮机顶盖的参数，并对顶盖进行有限元结构受力分析确定顶盖变形最大部位；
在顶盖变形最大部位设置应变传感器和测振传感器，进行水轮机全工况运行状态下的顶盖应变测试，得到水轮机全工况运行状态下的应变值，以及水轮机稳态工况下顶盖的振动幅值；
与应变测试数据对比，建立水轮机稳态工况下顶盖振动值与应变值的映射关系，并根据该映射关系推导其他工况下，顶盖振动的幅值。
对上述技术方案的进一步设计为：所述对顶盖进行有限元结构受力分析包括如下步骤：
建立顶盖三维模型；选取正常运行工况、静水关闭工况和过压工况，并计算三种工况下顶盖模型的应力及其变形值；对比三种工况下顶盖模型应变或应力情况，判断是否满足顶盖设计要求，以此校核有限元分析的正确性；确定顶盖变形最大部位以及变形值。
所述水轮机顶盖的参数包括顶盖的设计、制造和材料参数。
所述应变传感器采用防水型的表面应变计。
根据顶盖变形最大部位对应的水平振动和垂直振动，分别装设测量顶盖径向变形和轴向变形的应变传感器。
测量顶盖径向变形和轴向变形的应变传感器均设有若干个。
所述顶盖的最大变形量不超过应变传感器量程的80%。
所述测振传感器为惯性式低频振动传感器。
根据水轮机全工况运行状态下顶盖的应变值绘制水轮机顶盖全工况下的应变功率流图谱。
根据全工况下顶盖振动值与应变值的映射关系，通过标准规范对顶盖振动运行限值的要求，折算为应变的运行限值，确定顶盖运行的报警值或停机值。
本发明与现有技术相比具有的有益效果为：
本发明根据顶盖结构，基于顶盖有限元结构受力分析，精准定位顶盖结构受力变形最大部位，即顶盖最薄弱部位，并在该处设置应变传感器和测振传感器，由于最薄弱部位应变以及振动敏感，测得的数据最能表征顶盖的运行状态；本发明利用稳定工况下测得较为准确的振动值与应变值建立映射关系，并利用该映射关系推导出其他振动值难以准确测量工况下的振动值，并采用应变代替振动来评价并监测顶盖运行状态。
本发明利用应变值来评价并监测顶盖运行状态，建立顶盖运行状态的评价体系，应用于水轮机顶盖运行监测和故障预警，相比于现有技术中利用振动来评价并监测顶盖运行状态，能更准确的反应各工况下顶盖运行的状态。
本发明针对水轮机顶盖振动属于超低频、振型复杂的特性，测试传感器选用几乎低至零频率响应的表面应变计，避免出现响应“失真”现象。针对顶盖部位潮湿、多水的测试环境，应变传感器采用防水型的表面应变计，部分水淹测点的防水特殊处理，确保测试不受环境影响。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例中顶盖有限元计算结果示例。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例的水轮机顶盖运行状态监测方法实施方案如下：
步骤一、顶盖参数收集。收集水轮机顶盖的设计、制造、材料参数，以及历年来顶盖的运行、检修数据，尤其是修补记录。
步骤二、有限元结构受力分析。
（1）建立顶盖三维模型。根据顶盖的结构特点，计算模型采用块体单元划分网格，在顶盖剖切出的两个对称面上加周期对称边界条件，顶盖的外法兰面螺栓分布圆上约束Z方向的自由度。顶盖是个周期对称结构，受力也是周期对称的，一部分剖切面就可以表征整个顶盖的受力情况，同时顶盖是个类似“鼓面”的结构，四周用螺栓固定在基础环上，因此剖切面的外缘需要加约束。
（2）选取正常运行工况、静水关闭工况和过压工况这三种工况的荷载，并得到3种工况下顶盖的应力及其变形。
（3）对比三种工况下顶盖应变或应力情况，是否满足设计要求，校核有限元分析的正确性。
（4）确定顶盖变形最大部位，以及变形值。顶盖的薄弱部位最能表征顶盖运行状态，选择此处作为测点能避免对顶盖运行状态的评价受测试位置的影响。
图2为顶盖有限元计算结果示例。
步骤三、测点布置
（1）停机布设应变测点。按照有限元计算得出的顶盖变形最大部位，根据变形方向，对应顶盖的水平振动和垂直振动，分别布设2-3个用于测量顶盖径向和轴向变形的防水型表面应变计，顶盖理论最大变形量不得超过应变计量程的80%，针对顶盖部位潮湿、多水的测试环境，可能被水淹没的顶盖背压面测点，表面应变计安装应做特殊防水处理。本实施例利用应变传感器理论上低至零的频率响应，以及对变形多向性均可测试的特点，能准确反应顶盖运行状态。
（2）布设校核测点。在应变计安装部位，根据安装条件，校核的传感器选用惯性式低频振动传感器，可能被水淹没的顶盖背压面测点，校核测点可移至相邻位置。
步骤四、多工况测试和校核
（1）分别在水轮机空转、空载、带负荷、其他过渡工况以及异常工况下，测试水轮机顶盖的应变情况，进行幅值、频谱和趋势分析。
（2）校核测试。测试稳态工况下（非异常工况）水轮机顶盖的振动，与应变测试同步进行。本实施例中振动与应变同位置、同工况（稳定工况）测试，由于稳定工况振动值测量较准确，因此利用稳态工况校核应变测试的可靠性，并作为振动和应变映射关系的基础性数据。
步骤五、数据分析
（1）绘制水轮机顶盖全工况下的应变功率流图谱，展示水轮机顶盖在全工况下的运行状态。
（2）实测应变数据与有限元分析对比，校核有限元分析的可靠性。
（3）对校核测试的振动数据进行幅值和频谱分析，判断是否存在“失真”现象，选取稳定工况数据与应变数据进行趋势性比对，建立应变与振动幅值的映射关系，以此推导过渡工况或异常工况下，顶盖振动的真实值。
步骤六、状态评价
（1）根据建立的应变与振动的映射关系，通过标准规范对顶盖振动运行限值的要求，折算为应变的运行限值，制定顶盖运行的报警值或停机值。
（2）积累一定量的运行数据后，基于3σ准则（莱以特准则）建立水轮机顶盖运行状态的健康数据库，并制定报警参数和策略。
本实施例的监测方法一方面解决惯性式低频振动传感器因频响和振动形式造成顶盖振动数据失真的难题，另一方面，鉴于国家标准对水轮机的顶盖振动的评价采用振动位移值，通过多个工况下的应变值和振动位移值对比，折算出应变的安全运行值，基于3σ准则建立水轮机顶盖运行状态的健康库，应用于水轮机顶盖运行阶段的状态监视和故障预警。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
收集电站水轮机顶盖的参数，并对顶盖进行有限元结构受力分析确定顶盖变形最大部位；
在顶盖变形最大部位设置应变传感器和测振传感器，进行水轮机全工况运行状态下的顶盖应变测试，得到水轮机全工况运行状态下顶盖的应变值，以及水轮机稳态工况下顶盖的振动幅值；与应变测试数据对比，建立水轮机稳态工况下顶盖振动值与应变值的映射关系，并根据该映射关系推导其他工况下顶盖振动的幅值。
2.根据权利要求1所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：所述对顶盖进行有限元结构受力分析包括如下步骤：
建立顶盖三维模型；
选取正常运行工况、静水关闭工况和过压工况，并计算三种工况下顶盖模型的应力及其变形值；
对比三种工况下顶盖模型应变或应力情况，判断是否满足顶盖设计要求，以此校核有限元分析的正确性；
确定顶盖变形最大部位以及变形值。
3.根据权利要求1所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：所述水轮机顶盖的参数包括顶盖的设计、制造和材料参数。
4.根据权利要求1所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：所述应变传感器采用防水型的表面应变计。
5.根据权利要求4所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：根据顶盖变形最大部位对应的水平振动和垂直振动，分别装设测量顶盖径向变形和轴向变形的应变传感器。
6.根据权利要求5所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：测量顶盖径向变形和轴向变形的应变传感器均设有若干个。
7.根据权利要求6所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：所述顶盖的最大变形量不超过应变传感器量程的80%。
8.根据权利要求1所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：所述测振传感器为惯性式低频振动传感器。
9.根据权利要求1所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：根据水轮机全工况运行状态下顶盖的应变值绘制水轮机顶盖全工况下的应变功率流图谱。
10.根据权利要求1所述水轮机顶盖运行状态监测方法，其特征在于：根据全工况下顶盖振动值与应变值的映射关系，通过标准规范对顶盖振动运行限值的要求，折算为应变的运行限值，确定顶盖运行的报警值或停机值。
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