大型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)動力特性分析

張恒

摘要：大型混流式水輪機在輪葉片結(jié)構(gòu)的動力特性十分特殊。尤其是在水輪機葉片的動力結(jié)構(gòu)體系上，需要根據(jù)混流式水輪機的整體情況對其受力結(jié)構(gòu)以及動力情況進(jìn)行較為明確的分析。同時，還要根據(jù)其葉片的動力變化情況，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)特點以及動力變化體系的特點。在多流向以及混流式的變化情況下，其葉片的結(jié)構(gòu)動力也會根據(jù)水輪機的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變。本文主要針對大型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行分析，并根據(jù)其力的變化性，對葉片結(jié)構(gòu)的多維變化進(jìn)行分析。

Abstract： The dynamic characteristics of runner blade structure of large Francis turbine are very special. Especially in the dynamic structure system of the turbine blade， it is necessary to make a clear analysis of the force structure and the dynamic situation according to the overall situation of the Francis turbine. At the same time， it should analyze according to the dynamic changes of its blades and the characteristics of its rotation and the dynamic change system. In the case of multi-flow direction and mixed flow changes， the structural power of its blades will also change correspondingly according to the changes of the hydraulic turbine. This paper mainly analyzes the dynamic characteristics of the runner blade structure of large Francis turbine， and the multi-dimensional change of the blade structure according to the variability of its force.

關(guān)鍵詞：大型混流;水輪機;葉片結(jié)構(gòu);動力特性分析

Key words： large mixed flow;turbine;blade structure;dynamic characteristics analysis

中圖分類號：TK733+.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）17-0147-03

0 ?引言

為了能夠順應(yīng)新能源體系的發(fā)展，水力發(fā)電已經(jīng)逐漸地成為一種必然的趨勢和未來必備的一種新型能源。在進(jìn)行大型混流式水輪機的葉片結(jié)構(gòu)動力的全面分析過程中，需要根據(jù)其動力的特性以及受力的特點，對其水力發(fā)電的效率。水力發(fā)電的特征進(jìn)行顯著性的動力結(jié)構(gòu)體系的分析。而且在機械自動化技術(shù)全面發(fā)展的今天，機電一體化已經(jīng)成為一種趨勢。尤其是在自動化生產(chǎn)過程中，其機械自動化技術(shù)已經(jīng)逐漸地趨于成熟，而且自動化技術(shù)也在逐漸地發(fā)生改變。以機械動力發(fā)展為主體，對水輪機進(jìn)行葉片發(fā)電動力的基礎(chǔ)改造已經(jīng)逐漸地成為一種發(fā)展的途徑和未來發(fā)展趨勢的一種必然。因此，提高混流式水輪機的轉(zhuǎn)化效率以及提升相應(yīng)的動力結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)效率十分關(guān)鍵。

1 ?大型混流式水輪機自振頻率體系分析

1.1 主振頻率分析

在水輪機的全面運轉(zhuǎn)過程中，其動力運轉(zhuǎn)體系在多種因素的影響下也會存在一定的變化性。尤其是在主振頻率的體系結(jié)構(gòu)上，固有頻率在多維一體的振動介質(zhì)中，其相應(yīng)地耦合振動結(jié)構(gòu)也會隨著不同的介質(zhì)以及空氣的變化而發(fā)生實質(zhì)性的改變。這樣，當(dāng)液體機械在進(jìn)行正常轉(zhuǎn)動或者進(jìn)行反轉(zhuǎn)的過程中，其高頻率體系與低頻率結(jié)構(gòu)也會隨著主頻率的動力結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的傾斜性變化。因此，無論是從動力結(jié)構(gòu)上分析，還是從主頻率的階段性上分析。大型混流式水輪機在自振頻率上，其主頻率發(fā)揮著極為重要的作用。

1.2 自振頻率分析

自振頻率與水輪機轉(zhuǎn)葉的向心力以及輪葉結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。在振動的過程中，其主頻率的振動方式以及自振的形式也在逐步性發(fā)生改變。因此為了能夠使得其相應(yīng)地振動頻率以及振動的方式得到相應(yīng)的改變。在進(jìn)行多元化的自振頻率體系改變時，同樣需要對其自振的形式和相關(guān)的參數(shù)性進(jìn)行數(shù)據(jù)的明確剖析和自動化的改變。根據(jù)其彈性結(jié)構(gòu)的自由組合，在進(jìn)行自振特性的數(shù)據(jù)體系分析中。水輪機的葉片向心力具有多個三維體系單元。[1]同時對于其不同的矩陣數(shù)據(jù)也會做出新的數(shù)據(jù)體系分析和相應(yīng)地要求。其矩陣的工具數(shù)據(jù)要求如下所示：

[Kij]e =[Bi]T[D][Bj]dV

在數(shù)據(jù)單元格中，其[D]為彈性矩陣，[Bi]、[Bj]為應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系矩陣。每個單元的單元矩陣也會根據(jù)其數(shù)據(jù)的變化性，在不同的應(yīng)力結(jié)構(gòu)的變化下發(fā)生一定的性的改變。但是由于水輪機的轉(zhuǎn)速不同，其自振的體系和速率始終不同。因此，從結(jié)構(gòu)層次出發(fā)或者是從自由度的節(jié)點出發(fā)，其頻率的改變必然會使得自振頻率發(fā)生一定的改變。使得力的附加質(zhì)量增加，從而在邊界條件的數(shù)據(jù)通用性得到相應(yīng)的增強。

2 ?水輪機轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)動力分析

2.1 附加質(zhì)量參數(shù)分析

在附加質(zhì)量的參數(shù)矩陣上，其邊界數(shù)據(jù)與質(zhì)量總體系在進(jìn)行數(shù)據(jù)性的總計算中，其邊界條件在數(shù)據(jù)的調(diào)整中同樣會發(fā)生一定性質(zhì)的改變。尤其是在自由垂直度上，系統(tǒng)運動方程和系統(tǒng)阻尼數(shù)據(jù)同樣會決定其鋼度矩陣的整體附加值，其相應(yīng)地系統(tǒng)運動方程如下所示：

[M]{u¨}+[C]{·u}+[K]{u}=F（t）

在數(shù)據(jù)的自由組合中，當(dāng) F（t）=0，其相應(yīng)地實際工程數(shù)據(jù)在頻率的影響和自由數(shù)據(jù)的組合中會得到不同數(shù)據(jù)性的方程結(jié)合點。尤其是在自振頻率以及系統(tǒng)自由組合的振動頻率上，其相應(yīng)地單葉片的數(shù)據(jù)變化性必然也會使得機械化數(shù)據(jù)以及輪轉(zhuǎn)化的偏移，可以先結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的和諧數(shù)據(jù)的運動。[2]其計算公式如下所示：

{u}={u0}cos（ωt）

在數(shù)據(jù)化的自由振動控制中，其不同的零點數(shù)據(jù)以及頻率方程數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)化的傾斜以及多頻率的振動中，其二維組成的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)反比化的運動變化。同時，在自由組合的頻率振動中，不同的振幅在求解方程中也不會全部歸零。同時，輪轉(zhuǎn)系統(tǒng)在自由轉(zhuǎn)動的頻率方面會出現(xiàn)W和{u0}的振型。這樣，在多維一體化的混流數(shù)據(jù)的波動中，其葉片的計算結(jié)果以及精確度都存在多樣化的標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)化的單元結(jié)構(gòu)性。因此，在精度差別較大的情況下，其中間節(jié)點以及SOLID92單元類型，在不同的單元結(jié)構(gòu)密度中，水質(zhì)化結(jié)構(gòu)計算體系也會結(jié)合自由振動的趨勢出現(xiàn)自由耦合的過程。[3]同時，在多方的自由振動控制中，其壓力的振動以及水力壓力的變化情況也會越來越明顯。這也是一個較為顯著的液體彈性體系和無阻尼彈性體的自由振動方程作相應(yīng)的修正。

2.2 葉體模擬數(shù)據(jù)的計算

在進(jìn)行網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)自動剖析的過程中，發(fā)電機傳感系統(tǒng)的故障排查。對于發(fā)電機而言，傳感系統(tǒng)一般是故障排查的重點。因為，在保證硬件設(shè)施進(jìn)行電磁切割進(jìn)行發(fā)電的同時，電力若無監(jiān)測箱的變壓以及傳輸，很難使得水輪得到有效地利用。因此，在進(jìn)行故障排查的過程中，首先需要結(jié)合監(jiān)測箱的智能排查系統(tǒng)，對其進(jìn)行系統(tǒng)化的排查。與此同時，還要結(jié)合監(jiān)測的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行PLC軟件數(shù)據(jù)的臨時修正，使得部分自動化程序能夠控制解決一些基礎(chǔ)性的故障，如電力自動化復(fù)位以及零點復(fù)位等基礎(chǔ)性的故障。若智能化復(fù)位效果不夠顯著，或者是反復(fù)性出現(xiàn)此類故障，則可以利用監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對控源數(shù)據(jù)進(jìn)行重新的編寫，并排查傳感器以及電磁繼電器是否存在一定的故障。若有故障則需要進(jìn)行及時性的排除，并復(fù)位自動化故障排除裝置。同時，還需要對材料的彈性數(shù)據(jù)體系以及模性量的材料質(zhì)量密度進(jìn)行模量數(shù)據(jù)的分析和處理?？梢匀?.1×106MPa為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化網(wǎng)格數(shù)據(jù)的全面剖析。結(jié)合不同的單元格以及網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行尺寸的界定以及單元點數(shù)據(jù)的多元點向數(shù)據(jù)的控制和描點分析。這樣，其總單元的個數(shù)在葉片的自振頻率上數(shù)據(jù)也會逐漸地清晰和明確。

2.3 傳動機組的轉(zhuǎn)向動力分析

在進(jìn)行發(fā)電機組的體系分析中，其機組齒輪會根據(jù)不同的監(jiān)測結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)的變化分析。首先是在機組齒輪的傳動方面，需要根據(jù)軸承以及齒輪的變化以及測算機組動力的帶動情況，對其進(jìn)行綜合性的傳動分析。與此同時，從傳動機組的體系上來講，不同的傳動動力系統(tǒng)在傳動的過程中，動力也會不盡相同。首先是在傳動的方式上，較為常見的為三步異向電動機是主要的傳動結(jié)構(gòu)體系。同時，在機組傳動的過程中，其數(shù)字電路與齒輪箱的傳感數(shù)據(jù)系統(tǒng)也具有緊密的聯(lián)系。因此，在通過動力渦輪進(jìn)行傳感分析的過程中，需要結(jié)合機組的整體變化情況以及動力體系進(jìn)行緊密的聯(lián)系分析，并根據(jù)傳感系統(tǒng)的需求，對齒輪監(jiān)測的精準(zhǔn)度進(jìn)行提高，完善傳動機組以及發(fā)電機組的故障診斷技術(shù)體系。同時，在但葉片的數(shù)據(jù)控制分析中，其不同的建模和數(shù)據(jù)分散會使得假定數(shù)據(jù)的液體流速以及動力體系流速的情況進(jìn)行葉片的全面接觸。單元節(jié)點以及自由數(shù)據(jù)的混合性也會使得其耦合性的水體單元性價值提高。[4]其在動力傳輸?shù)倪^程中，可以采用多種方式進(jìn)行處理：

①對只有壓力自由度的單元，只需指定自由液面處的壓力自由度為零（類似于結(jié)構(gòu)分析中指定某處的位移為零）。

②對和葉片耦合的液體單元，則只需指出單元和葉片相耦合的面，而這些面上的壓力、位移參量關(guān)系的確定則由程序自動完成。

在不同的單元流體結(jié)構(gòu)中，其依舊會存在中間數(shù)據(jù)的節(jié)點控制問題。尤其是在單元選用節(jié)點的固體帶動中，其SOLID92單元在空氣頻率的變化中會按照其水介質(zhì)的變化以及固體的單向變化性進(jìn)行節(jié)點的單元點控制研究。

對于發(fā)電機而言，其在保障其傳動系統(tǒng)無任何障礙的情況下，還要根據(jù)其機組的變化性，對其傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性結(jié)合風(fēng)力的傳動效率進(jìn)行數(shù)據(jù)科學(xué)分析。需要對電機的電磁、電動力以及傳感器、感應(yīng)器進(jìn)行電磁切割的排查。保證其硬件設(shè)施在有風(fēng)的情況下能夠正常的運轉(zhuǎn)，進(jìn)而達(dá)到較好地液體數(shù)據(jù)模擬效果。

3 ?轉(zhuǎn)輪機單葉片動力計算結(jié)果分析

3.1 單葉片動力水介質(zhì)頻率分析

從單方面的介質(zhì)體系上來看，在不同的自振數(shù)據(jù)中，其相應(yīng)的固有數(shù)據(jù)頻率與其相應(yīng)的頻率數(shù)據(jù)存在一定的差異化價值。主要表現(xiàn)公式為：

η=fw/fa

在數(shù)據(jù)公式中，其相應(yīng)地耦合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)頻率在空氣振動中存在一定的數(shù)據(jù)偏差值。而且不同的偏差結(jié)果也會因為數(shù)據(jù)的改變而發(fā)生變化性。尤其是在主頻率以及偏向值的數(shù)據(jù)變化分析，能夠全面提高其單葉片數(shù)據(jù)的介質(zhì)變化性。最終使得轉(zhuǎn)輪機的數(shù)據(jù)測算更為準(zhǔn)確。

3.2 轉(zhuǎn)輪的軸向心力數(shù)據(jù)測算

齒輪輪體故障。對于齒輪的輪體故障在機組的傳動中較為少見。其基本2-3年左右才會出現(xiàn)一次故障。從整體的故障體系上來分析，在輪齒的故障控制中，需要對其軸承以及軸心的向心力進(jìn)行測算，對其穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)據(jù)性的分析，若不超過安全范圍值，可根據(jù)實際性的需要，對其進(jìn)行基礎(chǔ)的保養(yǎng)工作。如：清潔軸心雜物，增加潤滑性等方式進(jìn)行技術(shù)診斷。若出現(xiàn)超范圍值，則必須引起重視，可根據(jù)實際性的需要對軸心或者是軸承進(jìn)行必要性的替換。并計算出較為合理的數(shù)值，結(jié)合其發(fā)電機的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性地診斷。

同時，在不同的中間數(shù)據(jù)節(jié)點上，其相應(yīng)的單元格數(shù)據(jù)精確度以及計算過程也會存在數(shù)據(jù)的敏感性以及單元節(jié)點的數(shù)據(jù)性葉會發(fā)生相應(yīng)地改變。這樣，葉片在接近其板殼結(jié)構(gòu)的過程中，其應(yīng)用單元格以及單元數(shù)據(jù)在滿足精度的情況下，也需要根據(jù)轉(zhuǎn)輪機的特點以及向心力的表現(xiàn)形式進(jìn)行明確性的分析。從而達(dá)到較為顯著的數(shù)據(jù)測算效果。[5]并且還能較好地提高其數(shù)據(jù)的精確性和準(zhǔn)確性。

4 ?結(jié)語

大型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)動力特性分析十分重要，其對于整體的傳動體系以及動力機組的變化具有十分重要的作用。與此同時，在進(jìn)行水輪機葉片的多元化分析中，還要對其風(fēng)力發(fā)電的特性以及機組的變化性進(jìn)行多維一體化的研究和深入性的探討。這樣，其風(fēng)力發(fā)電的整體組合性以及變化性在動力數(shù)據(jù)的測算中，對其頻率變化以及混流式的數(shù)據(jù)變化具有顯著性的提高。從而使得單元節(jié)點的轉(zhuǎn)輪效果得到更為精準(zhǔn)的測算和動力提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐健，賴喜德，彭悅?cè)兀炖?，夏密?考慮密封作用的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪動力特性分析[J].大電機技術(shù)，2020（04）：43-46，51.

[2]肖若富，王福軍，桂中華.混流式水輪機葉片疲勞裂紋分析及其改進(jìn)方案[J].水利學(xué)報，2019，42（08）：970-974.

[3]李朝暉，姜建勛.常規(guī)水輪機的檢修工藝研究[J].價值工程，2019，38（32）：215-216.