（控制理论与控制工程专业论文）水轮机叶片振动特性试验研究.pdf

华北电力大学硕七学位论文 水轮机叶片振动特性试验研究 摘要 以一台实际运行的2 2 5 m w 混流式水轮发电机组为对象，对于转轮叶片的动应力和 振动特性进行试验研究。通过在转轮叶片上安装的传感器获取叶片在不同工况状态下实 际运行时的动应力和振动信号，运用现代信号分析方法对于测量信号进行分析处理，深 入研究实际水轮机叶片的动应力和振动信号特征和频谱特征，并全面分析机组运行工况 变化对于叶片动应力和振动特性的影响：在此基础上，将实际机组叶片作为系统，叶片 振动信号作为系统的响应，研究基于时间序列分析方法的结构动态参数识别方法并开发 了相应的分析计算程序。对于叶片振动信号建立a r m a 模型，分析识别在机组实际运 行状态下的叶片动态参数，并对基于时间序列分析的结构动态参数识别方法在实施过程 中存在的问题进行了深入讨论。 关键字：水轮机叶片，振动特性，a r m a 模型，参数识别，固有频率 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nv i b r a t i o nb e h a v i o ro fh y d r a u l i ct u r b i n eb l a d e s a b s t r a c t t h eb l a d e sv i b r a t i o nb e h a v i o ro fa2 2 5 m w h y d r a u l i ct u r b i n ew a ss t u d i e db a s e do n t h ea c t u a lm e a s u r e dv i b r a t i o na n ds t r e s ss i g n a l so ft h eb l a d e su n d e rv a r i e sr u n n i n g c o n d i t i o n so ft h eh y d r a u l i ct u r b i n e t h et i m es e r i e sa n a l y s i sw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h e r e s p o n s ed a t aa n dt or e c o g n i z et h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fb l a d e s t h em a i nw o r k sa r e f o l l o w e d ： i t h em e a s u r e ds i g n a l so fb l a d ev i b r a t i o na n ds t r e s sw a s a n a l y z e d 2 t h ee f f e c to ft h ev a r i e sr u n n i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha sc h a n g i n go ft h el o a d ，r o t a t i n g s p e e d ，o nt h ev i b r a t i o na n ds t r e s so ft h eb l a d e sw a sd i s c u s s e d 3 as p e c i a lp r o g r a mo ft i m es e r i e s a n a l y s i sw a sd e v e l o p e dt or e c o g n i z et h e d y n a m i cp a r a m e t e ro ft h et u r b i n eb l a d e t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dd a m p e dr a t i ow a s c a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e d x ux i a o f e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ud a p i n g k e yw o r d ：b l a d eo fh y d r a u l i ct u r b i n e ，v i b r a t i o nb e h a v i o r , a r m am o d e l ，p a r a m e t e r r e c o g n i z e ，n a t u r a lf r e q u e n c y 华北电力大学硕七学位论文 水轮机叶片振动特性试验研究 摘要 以一台实际运行的2 2 5 m w 混流式水轮发电机组为对象，对于转轮叶片的动应力和 振动特性进行试验研究。通过在转轮叶片上安装的传感器获取叶片在不同工况状态下实 际运行时的动应力和振动信号，运用现代信号分析方法对于测量信号进行分析处理，深 入研究实际水轮机叶片的动应力和振动信号特征和频谱特征，并全面分析机组运行工况 变化对于叶片动应力和振动特性的影响：在此基础上，将实际机组叶片作为系统，叶片 振动信号作为系统的响应，研究基于时间序列分析方法的结构动态参数识别方法并开发 了相应的分析计算程序。对于叶片振动信号建立a r m a 模型，分析识别在机组实际运 行状态下的叶片动态参数，并对基于时间序列分析的结构动态参数识别方法在实施过程 中存在的问题进行了深入讨论。 关键字：水轮机叶片，振动特性，a r m a 模型，参数识别，固有频率 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nv i b r a t i o nb e h a v i o ro fh y d r a u l i ct u r b i n eb l a d e s a b s t r a c t t h eb l a d e sv i b r a t i o nb e h a v i o ro fa2 2 5 m w h y d r a u l i ct u r b i n ew a ss t u d i e db a s e do n t h ea c t u a lm e a s u r e dv i b r a t i o na n ds t r e s ss i g n a l so ft h eb l a d e su n d e rv a r i e sr u n n i n g c o n d i t i o n so ft h eh y d r a u l i ct u r b i n e t h et i m es e r i e sa n a l y s i sw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h e r e s p o n s ed a t aa n dt or e c o g n i z et h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fb l a d e s t h em a i nw o r k sa r e f o l l o w e d ： i t h em e a s u r e ds i g n a l so fb l a d ev i b r a t i o na n ds t r e s sw a s a n a l y z e d 2 t h ee f f e c to ft h ev a r i e sr u n n i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha sc h a n g i n go ft h el o a d ，r o t a t i n g s p e e d ，o nt h ev i b r a t i o na n ds t r e s so ft h eb l a d e sw a sd i s c u s s e d 3 as p e c i a lp r o g r a mo ft i m es e r i e s a n a l y s i sw a sd e v e l o p e dt or e c o g n i z et h e d y n a m i cp a r a m e t e ro ft h et u r b i n eb l a d e t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dd a m p e dr a t i ow a s c a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e d x ux i a o f e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ud a p i n g k e yw o r d ：b l a d eo fh y d r a u l i ct u r b i n e ，v i b r a t i o nb e h a v i o r , a r m am o d e l ，p a r a m e t e r r e c o g n i z e ，n a t u r a lf r e q u e n c y 兰垄皇塑查堂垡! 塞透主堂垒垒塞 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所 取得豹成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名：侮节群 日期：! 盟一声 关予学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关 部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学 位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：! ：! ：生 日 期： 口6 ； 华北电力大学硕十学位论文 1 1 研究意义 第一章前言 目前，世界总电力消耗中水电占2 0 ，常规热电占6 3 ，核电占1 7 。对能源( 特别 是电力) 的需求，在发展中国家增加得非常快【”。但是这些国家大多数主要是通过发 展热电站来满足国内市场的需求，这将消耗大量的煤炭，随着煤炭资源的不断丌采， 不仅导致了地下煤炭储量不断减少，而且造成了全球空气污染。在这种情况下，对 世界上只有2 8 经济上可行的、1 8 技术上可行的水电蕴藏量进行开发尤为必要。而 我国地域辽阔、江河众多，径流丰沛、落差巨大，蕴藏着极为丰富的水力资源，这 为我国水力发电提供了丰富的资源基础，面对这样的形势，我国电力行业丌始考虑 调整以前那种“以火电为主，水电、核电、风电所占比重较少，电力结构发展不平 衡”的能源结构。于是，在“十五7 7 规划中指出，调整电力结构，促进产业升级作为 2 1 世纪初期电力工业的首要任务。其中主要工作的一个方面就是要调整电源中水、 火、核电的比例，加大水电开发力度，适当发展核电、因地制宣发展新能源发电【2 l 。 随着对水电的重视，我国在长江流域、黄河流域、雅鲁藏布江和澜沧江等地区兴 建和正在兴建许多水电站，其中有三峡、二滩、葛洲坝、羊门峡、小浪底、大朝山等几 十座大型的水电站。预计到2 0 0 5 年我国水电、火电、核电和新能源在发电总量中占得 比例为：2 4 5 、7 2 4 、2 4 、0 7 。由此可以看出，水力发电总量已接近总电量的 四分之一，成为推动国民经济发展的重要力量【2 j 。 虽然与火电机组相比，水电机组转速低，发生事故的概率较低而且事故危害性也较 低，但是，由于水电机组类型较多，不同类型机组的工况条件差异很大，机组在运行过 程中各个部件受到复杂的水力、机械和电气激励，而且机组负荷变化范围较大，因此可 能形成对于机组结构的多个频带范围的振动激励，很容易导致结构共振，产生强烈的振 动，使机组处于异常工作状况下。造成机组停运事故，经济损失不容忽视。 转轮是水轮机完成水能转换为机械能的核心部件，承受强烈的动态载荷【如1 。其工作 状况的好坏将直接影响着转轮的效率和运行稳定性。水轮机转轮叶片形状复杂，在工作 过程中，受到复杂冲击力作用。特别对于大型水电机组，转轮尺寸随着水头和流量的增 大而增大，转轮上压力脉动强烈。容易产生疲劳裂纹，随着裂纹逐渐扩展可能导致叶片 断裂，造成机组损坏。此外当裂纹扩展到一定程度时，叶片形状会有较大改变，致使水 力不平衡，导致效率下降。因此水轮机转轮叶片动态特性的研究一直受到高度重视。了 解掌握水轮机转轮叶片的动态参数对于的水轮机叶片的设计制造、运行状态监测和故障 分析诊断都非常有意义。同时，也为研制开发适用于各种类型和工况条件的实时监测诊 断系统提供了基础，使水电机组运行状况的实时监测达到火电机组的水平，可以大人减 少机组故障，提高水电机组的可用性和经济性。 华北电力大学硕+ 学位论文 本文以一台实际运行的混流式水轮发电机组为对象，对于转轮叶片的动应力和振动 特性进行试验研究。通过在转轮叶片上安装的传感器获取叶片在不同工况状态下实际运 行时的动应力和振动信号，运用现代信号分析方法对于测量信号进行分析处理，深入研 究实际水轮机叶片的动应力和振动信号特征和频谱特征。并全面分析机组运行工况变化 对于叶片动应力和振动特性的影响；在此基础上，将实际机组叶片作为系统，叶片振动 信号作为系统的响应，研究基于时间序列分析方法的结构动态参数识别方法；对于叶片 振动信号建立a r m a 模型，分析识别在机组实际运行状态下的叶片动态参数，并对机 组工况参数的影响进行深入讨论。 1 2 研究现状 导致转轮振动的主要原因包括转轮室内不稳定流场产生的脉动激励、转轮迷宫处的 不平衡力和自激振动、转轮叶片出水边缘形成的卡门旋涡、尾水管内的中低频脉动、导 叶处节流形成的水流脉动以及动静叶片之间相互干涉等。这些振动激励一般都有一定的 频率，当这些频率与转轮结构的固有频率相接近或产生重合时，将导致转轮结构的强烈 共振。因此转轮动态特性的研究一直受到广泛重视。 无论是在水轮机转轮动态特性理论分析计算领域，还是在模型试验以及真机现 场试验方面，国内外有关专业人员长期都在进行大量的研究工作。 文献【a 】针对转轮复杂的旋转对称结构特点，较早提出采用取转轮上一个扇区进 行动力特性分析的方法，根据波传播理论确定扇区的边界条件，最后推出复系数的 特征方程。这种方法大大减少了有限元计算的工作量，但是只考虑局部扇形区域， 没有对于转轮整体结构的动特性分析。 文献【b 】首次将群论概念引入水轮机转轮结构分析，为对称结构的动态分析提供 了有效的数学方法。文献【】在此基础上进步把动态子结构方法与群论相结合，消 除和降 氏转轮扇形区上的内连自由度，简化了分析计算。 针对裂纹条件下的动态特性，文献【3 j 分析指出，叶片疲劳裂纹，主要由交变应 力引起。水轮机应尽量在最优工况下运行，当偏离最优工况时，将会引起部分叶片 脱流，在转轮下面形成旋转的涡带。涡带在运动过程中使水流干扰产生压力脉动。 特别在某些部分负荷时，压力脉动达到最大值。当激振频率与某些部件的固有频率 相近时，更会得到放大，从而更加剧了叶片的疲劳破坏。同时，还指出，所有这些 压力脉动只是造成叶片的裂纹的外因，而其内因则是叶片本身的物理结构( 包括形 状，结构，材料，性能等) ，这些都将反映在叶片的动态特性上。 文献1 4j 中介绍，某水电站的3 0 2 5 m w 混流式水轮发电机组自投运以来，每次大 修检查都会发现转子叶片处存在裂纹，而且有裂纹的叶片占一半以上。裂纹大部分 发生在叶片与上冠以及叶片与下环连接的附近区域。对于该类型叶片进行有限元分 2 华北电力大学硕士学位论文 析，确定叶片存在三个高应力区：( 1 ) 叶片进水边正面靠近上冠处：( 2 ) 叶片出水 边正面中部：( 3 ) 叶片出水边背面与上冠连接的根部。结合实际叶片裂纹特征，认 为裂纹产生原因主要是由于应力较大所致，具体成因可以归纳为：( 1 ) 焊接残余应 力太大，( 2 ) 裂纹集中产生在工作应力较大区域，表明实际工作应力较大是叶片裂 纹的主要原因。( 3 ) 尾水管低频压力脉动使叶片承受较大动应力，加剧裂纹扩展。 ( 4 ) 转轮结构刚度较低，使之在工作中产生扭振，产生较大动应力。 文献1 5 l 从振动角度详细分析转轮叶片裂纹的原因。研究对象为某水轮机组，该机组 在投入试运行过程中，噪声较大，顶盖产生高频振动现象，经过7 2 小时试运行。检查 发现该机组转轮上1 3 个叶片均出现不同程度裂纹，裂纹位置大部分靠近叶片出水边与 转轮上冠、下环相交位置。在排除了材质缺陷后，事故原因集中在结构共振上。经过对 机组详细的振动测试和试验模态分析，得出结论：水轮机转轮叶片的几个高阶固有频率 与叶片在工作中所受到的卡门涡列激励频率接近，因而转轮叶片在工作中可能在卡门涡 列的作用下产生共振，导致局部动载荷过大，很快产生裂纹。 文献【6 l 对红石电站水轮机转轮叶片的裂纹进行了分析，得出的结论是：认为红 石电站3 号机组转轮叶片裂纹产生的原因是机组运行中的悬臂转轮叶片根部应力集 中，叶片所受的基本应力较高，加之各种载荷的联合作用时的动应力较大，叶片所 受交变动应力在共振工况下不断加剧材料疲劳，致使转轮叶片产生裂纹。 上述文献或者通过理论分析，或者通过试验模拟，来实现对叶片动态特性的分 析，没有从真正意义上反映叶片在实际工况下的动态特性。值得注意的是，叶片 系统在工况下与非工况下的动态参数往往是有差异的，甚至有相当大的差异。为了 能够真正得反映叶片在实际运行过程中的状态，文献【1 2 i 将时间序列分析方法在水 轮机轴系模态参数进行了应用，利用测量到的相应信号进行时问序列分析来确定叶 片结构的动态参数。 1 3 研究内容 水轮机叶片的振动特性是反映其运行状况的重要指标，随着机组容量和水头的 提高，水轮机叶片振动引起的事故频繁出现，因此对于叶片振动特性的研究提出了 更高要求。通过分析计算掌握叶片的动态参数，发现确定不满足规范要求的某些动 念参数，例如动应力过大等，对于了解叶片裂纹故障分析以及叶片的设计改造都有 重要的指导意义。 常用结构动态参数分析识别方法主要有两种：一种是理论分析方法( 理论模态 分析) ，另一种是试验分析方法( 试验模态分析) 。理论模态分析方法通过建立分析 结构的物理和数学模型，利用数学手段( 例如有限元计算) 求解出模型的结构参数。 其求解精度取决1 二模型建立的精度。对于结构比较复杂的叶片系统，模型的建立是 华北电力人学硕士学位论文 一个很困难的工作，往往难以建立精确的结构模型，因此精确求解受到限制。 试验模态分析是在试验条件下，利用先进的试验模态测试分析技术精确地识别 水轮机叶片的固有频率、阻尼比以及振型。试验模态分析的特点是不受结构复杂程 度影响。只要通过合理的试验测量和分析，给结构施加一定的激振力，分别测量激 振力和结构的响应，。就可以确定结构的传递函数，进一步求出结构动态特性参数。 试验模态分析是一种确定复杂结构动态特性参数的很好方法，但是在有些情况下， 这种方法受到试验条件的限制，有时在试验条件下被分析结构的工作状况与实际工 作状况有很大区别，这就会导致试验求得的参数不能完全反映实际工况下结构的动 态特性。例如水轮机在试验条件下的状态和实际安装工作状态差别很大。因此在试 验模态分析中求得的结构固有频率和机组实际振动状况就有可能存在差别，这对于 准确分析裂纹等故障会产生一定影响。 针对理论和试验分析方法存在的问题，本文从真机试验角度开展研究工作，以 一台实际运行的混流式水轮发电机组为对象，对于转轮叶片的振动特性进行实测分 析，通过在转轮叶片上安装的传感器获取机组实际运行状态下在不同转速和负荷时 的振动信号，在此基础上进行以下两个方面的研究： 1 ) 水轮机实际运行状态下转轮叶片动应力及振动特性分析 采用经典信号分析方法，对于实测水轮机叶片动应力和振动信号进行时域和频率分 析，确定信号的时域特征和频域特征。通过振动时域波形分析叶片振动的类型，确定信 号中周期成分和随机成分的比例，并信号幅值变化特征。通过频谱分析确定叶片振动的 主要频率成分以及频谱特征。在此基础上，深入分析机组工况条件变化对于叶片振动的 影响。机组在起动过程中，通过调节导叶开度使的转轮进水流量加大，转速逐渐升高， 在此工况条件下，转轮内水流状态发生剧烈变化，在复杂水力激励作用下，叶片振动同 样发生变化，其变化特征难以进行理论分析计算。而利用实测信号可以分析机组转速变 化对于叶片振动的实际影响，发现叶片振动变化的规律。同样在机组恒转速运行条件下， 当负荷需求发生变化时，通过调节导叶丌度，控制转轮的进水流量，实现机组出力的匹 配。在这种条件下，转轮内部水流状态发生变化，导致叶片振动的变化。通过分析不同 负荷下的叶片振动信号，可以确定转轮内水流状态变化对于叶片振动的影响，为水轮机 组安全稳定运行提供参考。同时也可以对叶片振动特性的理论分析计算进行验证提高 分析精度。 2 ) 基于时间序列分析方法的转轮叶片动态参数识别 时l b j 序列分析在结构动态特性分析中的应用，还是一项比较新的结构动态参数 识别技术，其主要特点是只需要测量结构的响应信号就可以分析识别该结构的动念 4 华北电力大学硕十学位论文 参数，而不需要得到结构的激励信号。这特别适合于设备结构复杂而且实际工作状 态的激励很难用试验的方式来模拟的情况，例如水轮机组。因为这些复杂结构设备 在实际工作状态下所受的激振力不可能测量，所以不能采用试验模态分析相同的方 法确定系统的传递函数，因此采用频域方法难以识剔水轮机工作状态下的特性参 数。在工作现场往往只能测量得到系统的输出信号，即在上述各种激振力作用下水 轮机产生的各种响应信号，例如叶片的振动等。在这种条件下，采用时恤j 序列分析 方法可以很好解决这一问题，只测量分析结构相应信号就可以实现结构动态特性参 数的计算。 本文根据参考文献 1 2 1 中提出方法，开发专用分析程序，通过对实测的水轮机 叶片振动信号进行分析，建立时间序列a r m a 模型，最终利用时间序歹l j 模型与振动 系统动态方程的关系，识别叶片的模态固有频率和阻尼比。 华北电力大学硕士学位论文 第二章水轮机运行原理及叶片振动 2 1 水轮机运行原理 2 1 1 水轮机的基本原理 水轮机是将水能转换为机械能的机器设备，它是水力发电的核心设备。水轮机 的基本工作原理是：上游的有压水流被引入导水机构，进入转轮，并将其能量传递 给转轮，促使转轮转动，再由主轴以旋转力矩的形式把机械能传递给发电机。最后 水流经尾水管排向下游。 2 1 2 水轮机的基本参数 当水流通过水轮机时，水流的机械能转换成了水轮机的机械能 工作参数来表明这一过程的特性，基本工作参数有水头h 、流量q 、 n 和效率r 。 2 1 3 水轮机的分类 可用水轮机的 转速n 、出力 水轮机将水流能量转换为水轮机轴端的能量。水流能量的形式有位能、压能和 动能，前两者又可以成为势能，根据水轮机转轮所转换水流能量的形式不同，可以 分为反击式和冲击式水轮机两大类。 反击式水轮机是将水流的位能、压能和动能转换为固体机械能的水轮机，在这 种水轮机中，转轮中水流的能量大部分转换为压能，从转轮进口至出口，水流压力 是逐渐减小的，水流充满水轮机的整个流道。根据转轮区域水流运动方向的特征， 反击式水轮机又可以分为：混流式、轴流式、斜流式和贯流式等不同型式。 冲击式水轮机是将水流的动能转换为固体机械能的水轮机，在这种水轮机里， 水流在沿转轮斗叶流动的过程中压力保持不变( 一般等于大气压) ，水流具有与空 气接触的自由表面，转轮不是整周进水。根据转轮的进水特征，冲击式水轮机又可 以分为水斗式、斜击式和双击式等不同型式。 各种水轮机结构如图2 1 所示。 水轮机的类型繁多，容量范围从l k w 到1 0 0 0 m w ，水头范围从2 米到2 0 0 0 米， 转轮直径从0 3 米到1 l 米。它的结构随着类型的不同有着很大的差异。图2 2 给出 不同类型水轮机的使用范围。现在被广泛使用的水轮机混流式水轮机和水斗式水轮 机。特别是混流式水轮机得到了广泛的使用。 6 华北电力大学硕士学位论文 “) 一口r 1 r 叫弓， 田lj 2 0 0 0 m 1 0 0 0 5 0 0 2 0 0 f 1 0 0 冀5 0 2 0 1 0 5 2 0 ( a ) 轴流式( b ) 斜流式( c ) 混流式( d ) 贯流式( e ) 水斗式 图2 1 水轮机分类 圆 ，6 喷嘴 “q ，特征转速： | l 额定功率和额定水头状态 鏊 ，、。i 下的水轮机转速 * 瓜 ff t飞z 久 帽 i二翅， l ，1 轴滴式汽轮村 。 瓤：， 一7 一一 ，三弓专彀 4 - 贯流式汽轮机i i_喷嘴一 谲夔 鼎 _ 。 、，o 、，。1 、 卜移 水斗式 、k i 、1、 汽轮机j 戮n 0 0、i 、， l 炒 。n t 两 ? 、 、_ 鞭a 流式汽轮】扎 一k 亡，- 。 ：、 - “- j ，。 、j 心、 t 特征转速n q 圄2 2 水轮机应用范围 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 4 混流式水轮机 1 ) 混流式水轮机水电站 图2 3 示出一个典型的安装有混流式水轮机的水电站。水坝将水库的水位抬高， 形成水力发电的必要水头。水电站设在大坝外侧，通过大坝底部的引水道将水流引 入水轮机的导流蜗管，经过导水叶片流入水轮机转轮，转轮在水流冲击下转动，驱 动发电机发电。通过调节导水叶片角度控制进入水轮机转轮的流量，实现对于负荷 的控制。 图2 3 典型混流式水电站截面示意图 2 ) 混流式水轮机结构 混流式水轮机结构如图2 4 所示，主要部件包括转轮、可调导水叶片、蜗壳引 水室( 导流蜗管) 、尾水管、液压伺服马达、调整环和导向机构、轴承、发电机等。 转轮：转轮是水能转换为机械能的核心部件，基本e 由上冠、下环、叶片上下 止漏装置、泄水锥和减压装置构成。一般小型水轮机转轮采用整体铸造结构，这样 可以去除叶片上冠，减小摩擦阻力，但是容易导致叶片振动。大型混流式水轮机转 轮往往采用焊接结构。转轮各过流部分应满足水力设计的线性要求，有足够的强度 和刚度另外，制造转轮的材料应具备有抗空蚀破坏、泥沙磨损的性能。 华北电力人学硕士学位论文 图2 4 混流式水轮机结构示意图 主轴：主轴主要用于联接水轮机和发电机，以实现将转轮的机械能传递给发电 机转子。 蜗壳引水室和导水机构：蜗壳引水室将有压水流均匀地引入转轮前的导水机 构。导水机构中的可调导水叶片引导水流按一定方向进入转轮。通过液压伺服马达 驱动调整环和导向机构可以改变导水叶片的开度实现水轮机出力调节。此外，还 用它柬截断水流，以便检修与调楣运行。蜗壳材料一般为精细结构锅钢板，板厚可 达8 0 r a m ， 尾水管：尾水管主要用来回收转轮出口水流中的剩余能量。 导轴承、密封装置及附属部分：导轴承用来承受水轮机主轴上的径向载荷和轴 向载荷，并传给基础。 9 华北电力人学硕士学位论文 3 ) 混流式水轮机工作原理 混流式水轮机具有反击式水轮机的基本特征：水能主要以压能的形态由转轮转 换为机械能。其工作过程是：有压水流由引水室被引入导水机构。进入转轮，并将 其能量传递给转轮，促使转轮转动，再由主轴以旋转力矩的形式把机械能传递给发 电机。最后水流经尾水管排向下游。 水轮机在运行过程中，当负荷发生变化时，或者当水流条件( 压头、流量) 发 生变化时，可以通过调整导水叶片的开度控制进入转轮的水量，以保持水轮机转子 转速恒定。极端情况下，导水叶片可能全部打开或关闭。由于偏离了额定运行状态， 流出转轮的水流不再平稳，可能出现不稳定流动状态，形成强烈旋涡，导致气蚀现 象和结构振动。 实际运行时，水轮机转速不变，而且一般情况下压头也保持不变，因此通过调 节体积流量实现水轮机的功率调节。 2 2 水轮机组振动激励 2 2 1 水力振动 1 ) 尾水管内低频涡带 低频涡带是混流式水轮机组普遍存在的振动源之一。水轮机负荷变化时，流过 叶片的水流流量发生变化，因此在转轮出水口的水流绝对速度方向发生相应变化， 形成一个沿转轴切向的分速度，水流大时，该切向分速度与转轮旋转方向相同，水 流小时，方向相反。在低负荷条件下，从转轮出口泄水锥开始产生强制旋涡。由于 旋涡内部压力低，在空化系数很小时，旋涡中心部分产生空腔空化现象，形成空腔。 该空腔作周期性偏心运动，因而在尾水管中形成低频涡带压力脉动。脉动压力在周 围结构中传播，造成机组的振动，有时可能与管道中的水流产生共振。文献1 2 5 1 对 于水流速度与压力脉动的关系进行了研究，针对三种不同比转速的水轮机模型进行 试验，得出混流式水轮机尾水管涡带的六种不同状态。文献1 2 6 】对吸入高度与压力 脉动之问的关系进行了试验研究。 试验证明，在出水口形成的螺旋形涡带的压力脉动频率在尾水管内各处相等， 该频率可以用莱因甘斯公式计算： ，旦“。 7 6 d 5 ( 2 一1 ) 式中n 为水轮机转速( 转分) ，以为系数，一般取1 5 1 3 。 莱因甘斯公式计算的涡带频率只是近似结果，实际水轮机的涡带频率还受到水 头等因素影响。文献【2 7 】通过对于实际水轮机机组的观测，给出对于莱因甘斯公式 改进的涡带频率经验公式： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ，。n 3 6 。 6 d ( 2 2 ) 式中m 机组额定功率，为机组当前功率。 2 ) 尾水管接近转频咐脉动 尾水管压力脉动中除了低频率涡带脉动以外，还存在一种中高频的压力脉动， 这种脉动在任何导水叶开度条件下都可能存在。其中中频压力脉动往往接近水轮机 的转速频率，容易引起机组和管道的振动。这一接近转频的压力脉动的脉动频率比 较稳定，受低频压力脉动影响，在稳定值附近作微小波动。 在国内外多个水轮机组中都发生过接近转频的压力脉动现象，其中有些还造成 了严重的共振现象。但是目前对于这种压力脉动的产生机理还不清楚，有待于进一 步深入研究。 3 ) 水封间隙不等产生的水力不平衡力 水轮机转轮部件与外围固定部件之间存在间隙，为了减小问隙造成的水流损 失，在间隙不同部位设计了水封结构。理论上转轮外圆与外围固定部件内腔为同心 圆，圆周方向上间隙相等。此时在水封中的压力场和流速场均为轴对称分布，作用 在转轮上的径向合力为零。但是由于水封零部件加工安装不精确、导轴承间隙调整 不当，或者水轮机转子存在静、动态不平衡，都可能造成机组在运行过程中水封间 隙产生不均匀。此外如果运行过程中转子出现弯曲振动现象也会造成水封问隙的变 化。 水封间隙不均匀可能导致机组产生强烈的振动，因此这一现象曾经引起国内外 有关领域进行大量的理论分析和试验研究，并在此基础上提出了许多改进水封结 构、水封间隙尺寸和间隙匹配的设计方法，所以现代水轮机组因水封问隙设计不当 而产生振动的现象很少发生。 4 ) 水轮机蜗壳、导叶和转轮中水流不均匀引起的振动 水轮机蜗壳内的水流存在不均匀现象，水流的周向速度和径向速度在蜗壳的不 同包角位置上差别很大，不均匀度可以达到2 0 。由于流速变化，对于进v i 水流产 生撞击，引起转轮振动。其振动频率为转频与转轮叶片个数z 的乘积： 厂- 云z f 施j ( 2 - - 3 ) 0 u 水流经过导叶时，在导叶问也将产生不均匀流速，流出导叶以后又重新分布， 这种不均匀水流作用在转轮和其它结构卜产生振动，频率为： 跞 华北电力大学硕士学位论文 厂- 吴z o f 胁，7 6 d ” 、 式中z 。为导叶个数。 ( 2 4 ) 此外转轮叶片出口处形成的卡门旋涡也是水轮机振动的主要振源之一。 5 ) 压力管道中的水力振动 水电站机组j 下常运行时，压力管道两端为开口，管道中水体的自振频率为： 一焉h z ) 式中：a 为管道中水的波速( m s ) ； 度( m ) 。 ( 2 5 ) i t i 为管道中水体自振频率阶数：l 为管道长 水轮机过流部件的水流脉动，有可能与管道内水体的自振频率发生共振或者倍 频共振，导致水轮机机体结构振动加剧。 2 2 2 机械振动 水轮机作为旋转机械设备，其旋转部件和支承结构均按轴对称布置，以保证机 组在旋转过程中的稳定性。但是由于制造、安装和运行等方面的原因，可能造成机 械结构存在缺陷，或者旋转与支承部件偏离对称位置，会使机械部件在运行时产生 不稳定状态，导致机械结构的振动。机械结构的缺陷包括：主轴弯曲、转子和转轮 的不平衡、支承轴承缺陷、转动部件与固定部件不同心等。这些缺陷引起的振动有 共同的特点，其振动频率多为水轮机转频或者转频的倍数。 1 ) 主轴不平衡和弯曲 主轴不平衡或弯曲是水轮机机械振动的主要原因之。对于所有旋转机械都存 在不平衡现象，由于水轮机转速相对较低，因此不平衡力对于机组运行的影响比较 小，但是不平衡力造成的主轴偏移容易扩大机组定子与转子问隙的不均匀程度，可 能造成其它故障现象。不平衡作用产生与主轴转频相同的振动，其大小与不平衡质 量大小、偏心距成正比，与转速的平方成正比： f m e c ) 2 主轴弯曲是水轮机运行中比较突出的问题。当主轴法兰处对接不好。主轴存在 折线时，若支承轴承影响主轴的自由旋转，将迫使主轴产生弯曲，形成附加的不平 衡力，并通过支承轴承传给机组结构，形成以转频为主要成分的振动。 2 ) 机组转动部件与固定部件摩擦 当机组的转动部件与固定部件存在不同心，局部有缺陷，或者转轮t 的水流小 1 2 华北电力大学硕 ：学位论文 对称时，可能使机组的转动部件和固定部件之间产生摩擦，从而是转轮周期性地被 推向一侧，引起摩擦扰动。发生摩擦时，转轴在摩擦点处受到一个与转动方向相反 的切向作用力，形成与转动方向相反的扭矩，使主轴产生剧烈的弓状回转自激振动。 如果这种弓状回转振动的频率与振源的频率或其倍频重合时，将产生剧烈的振动。 3 ) 支承轴承缺陷 由于转子不平衡、主轴弯曲、轴承结构设计不合理等原因，支承轴承在运行过 程中承受载荷过大，使得轴瓦在不同方向上的间隙一般存在差别，当间隙差别太大 时，可能造成某些振动。而且轴瓦间隙大小直接影响轴系统的摆度大小，间隙增大 后轴系统的1 临界转速也降低。 当推力轴承的推力头与轴颈存在间隙时，轴和推力头之间有相对运动，机组的 振动和摆动呈不稳定状态，而且主轴摆动较大，导致下水封处压力脉动也比较大。 2 2 3 电磁振动 1 ) 转子与定子内腔气隙不均匀 转子与定子内腔气隙不均匀是大直径水轮发电机组的主要振动源之一。气隙不 均匀在定子和转子之间产生不均衡的拉力，从而对定子和转子形成转频激振。若正 常气隙间隙为6 ，气隙不均匀时的最小间隙为a ，则在最小间隙处定子与转子之问 的不均匀磁拉力可以近似表达为： f 一础( 志心j ( 2 吲 式中：l 、d 分别为转子的高度和直径( c m ) ：b 为磁通密度( 1 0 4 t ) ；1 3 为系 数，与发电机类型、磁场分布、绕组结构等有关，一般取b = 0 2 0 5 ：e = 6 a 为气 隙偏差值。 定子和转子之问气隙不均匀的原因包括：转子外圆不圆( 有磁极突出) 、定子 内腔不圆( 分块定子某块突出) 、转子和定子非同心、转子各磁极电气参数相差较 大或存在局部短路等。 2 ) 极频振动 由于发电机定子绕组存在以下原因： - 定子分数槽次谐波磁势 定子并联支路环流产生的磁势 - 负序电流引起的反转磁势 定子不圆 从而可能使得发电机产生固定频率的电磁振动。 华北电力大学硕 学位论文 2 3 混流式水轮机转轮振动分析方法 转轮是水轮机完成水能转换为机械能的核心部件，承受强烈的动态载荷。特别 对于大型水电机组，转轮尺寸随着水头和流量的增大而增大，转轮上压力脉动强烈， 因而转轮叶片时常发生疲劳裂纹现象，甚至出现叶片断裂的事故。 导致转轮振动的主要原因包括转轮室内不稳定流场产生的脉动激励、转轮迷宫 处的不平衡力和自激振动、转轮叶片出水边缘形成的卡门旋涡、尾水管内的中低频 脉动、导叶处节流形成的水流脉动以及动静叶片之间相互干涉等。这些振动激励一 般都有一定的频率，当这些频率与转轮结构的固有频率相接近或产生重合时，将导 致转轮结构的强烈共振。 由于作用于转轮上的振动激励源非常复杂，因此转轮叶片动态特性的理论计算 比较复杂，目前多是采用理论与试验相结合的方法确定转轮叶片的动态参数。 2 3 1 转轮动力特性数值计算 混流式转轮一般由上冠、下环和多个叶片焊接在一起，为轴对称结构。目前针 对转轮叶片主要采用基于群论的对称结构模态综合方法。群论方法使得对于整个叶 轮的分析简化为对于一个扇形区的分析，一个扇形区包括一片叶片和部分下环( 1 n 部分) 。但是由于叶片为三维扭曲壳体结构，有限元网格必须分得很细，计算工作 量大，因此采用子结构模态综合技术解决这一问题。 将转轮一个扇区分成两个子结构，在有限元分析中采用混合杂交板壳单元，由 于单元形状为任意四边形，因此适用于这类复杂形状板壳结构，而且非常方便。 分析步骤如下： 设转轮有n 个叶片，为对称壳体结构。将其分成1 1 个扇区，每个扇区包括一个 叶片和1 n 部分下环，叶片上部可以视为固定端。 将一个扇区分成叶片和下环两个子结构，用广义坐标表示变形的形态。 通过有限元分析计算确定结构的动态参数。 2 3 2 转轮动力模型试验 在转轮设计阶段，单纯依靠数值分析研究振动问题不够充分，因此模型试验是 重要的分析步骤。根据模型相似准则设计构造转轮模型，对于模型进行试验模态分 析，发现确定设计问题，及时进行结构修改，可以达到优化设计的目的，保证将来 真机运行的稳定性和可靠性。 试验模态分析技术是通过试验测量结构的激励和响应信号，经过信号处理和参 华北电力大学硕士学位论文 数识别确定结构的模态参数。振动模态分析系统一般由激振、传感和分析三个部分 组成。激振部分对结构施加激振力，使结构产生宽频带的振动。传感部分将结构振 动相应信号检测拾取，经过放大处理后送入分析系统。分析部分对振动激励和响应 信号进行分析处理，根据结构响应和激励之问的关系确定传递函数，并在此基础上 分析识别结构的动态参数。振动模态分析技术已经是非常成熟的试验分析技术，目 前广泛应用于结构动态特性分析领域。 2 3 3 现场真机试验 由于实际水轮机转轮叶片结构复杂，无论数值模拟计算方法还是模型试验技术 都不能真实反映机组在实际运行条件下的振动特性。因此对于实际机组的转轮叶片 测量试验也是一种研究叶片振动特性的重要手段。通过机组在实际安装条件下进行 模态分析，确定实际机组的模态参数与振动幅值的关系，修正模型分析的误差，提 高分析的精度。由于实际机组结构尺寸较大，必须对机组施加足够的激振力，因此 采取力锤激振时，必须对于力锤的大小和形状进行认真选择，以保证试验结果的可 靠性。此外对于实际机组在运行条件下的叶片振动测量是分析叶片振动特性的最直 接方法，但是由于机组运行时叶片处于水流高速冲击状态，对于叶片实施振动信号 监测存在很大困难，因此目前测量获得的运行状态下的叶片振动信号不多。通过叶 片在运行状态下的实际振动信号测量分析，既可以了解掌握叶片的振动特性，同时 也可以通过信号建模分析技术获得叶片结构的动态特性参数，对于机组的优化设 计、优化运行以及运行状态监测和故障诊断都具有直接的指导作用。 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 第三章水轮机试验及信号测试 3 1 试验水轮机组介绍 大朝山水电站是国家重点工程，是新世纪全国第一个建成投产发电的大型水电 项目。位于云南省临沧地区的云县和思茅地区的景东彝族自治县交界的澜沧江上， 是澜沧江中下游梯级开发漫湾水电站后的第二座大型水电站，是“西电东送”的骨 干电站。大朝山水电站1 9 9 2 年开始前期工程准备，1 9 9 4 年列入国家预备开工项目， 1 9 9 7 年8 月4 日经国家批准正式开工，同年1 1 月1 0 日顺利完成大江截流，2 0 0 1 年已按计划实现首台机组建成投产，2 0 0 2 年提前实现三台机组投产，到2 0 0 3 年1 0 年1 6 日，随着大朝山电站最后一台机组( 六号机组) 结束7 2 小时试运行，f 式投 产并网发电。大朝山水电站全貌如图3 1 所示。 电站总装机容量为1 3 5 0 m w ，保证出力3 5 1 3 m w ，安装了六台2 2 5 m w 的混流 式大型水轮机发电机组，机组设备均为东方电机集团公司生产，总投资为8 8 7 亿元。 该水电站一号机组于2 0 0 1 年1 2 月投入试运行，在7 2 小时试运行中，水轮机出现异 常噪音，机组振动摆度及水压脉动正常。经停机检查发现转轮叶片出水边靠近下环、上 冠区域有多处裂纹。经过设备制造厂家与运行企业有关专家的共同研究，采取合理的维 修措施，机组再次投入运行后运行状态良好，未发现新的裂纹。采用同样的方法对后续 几台机组转轮进行修型处理，取得了良好的效果。 图3 1 大朝山水电站 华北屯力大学( 北京) 硕士学位论文 为了全面分析大型水轮机转轮裂纹形成的机 理，掌握其转轮t 片动应力状况和变化规律，更 加深入地研究水轮机在实际工况下叶片的动态特 性及其对于转轮叶片疲劳裂纹的影响，东方电机 股份有限公司对即将投入试运行的六号机组的转 轮叶片进行了为期1 0 天的真机试验研究。6 号水 轮机组的转轮如图3 2 示，转轮直径为4 9 5 m ， 叶片数为1 5 个。 3 2 试验测点布置 选择转轮上三个叶片进行试验研究( 4 号、 1 0 号和1 1 号叶片) ，在每个叶片上布置多个测点， 分别测量叶片不同位置上的动应力和振动信号， 测点位置如图3 _ 3 所示。其中对于4 号叶片和1 1 号叶片上各有1 4 个应变片测点，只测量叶片在工 图3 2 水轮机转轮结构 作中的动应力变化情况。每个叶片的正面布置1 0 个测点( 其中1 个测点布置三向应变花) ，其中在叶片出水边靠上冠处布置4 个测点， 靠下环处布置2 个测点，在叶片出水边中部布置2 个测点，在叶片进水边靠下环和上