專(zhuān)利名稱(chēng)：一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法，更具體地說(shuō)，涉及一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)和水導(dǎo)軸承處軸頸位移來(lái)確定轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的方法，屬于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
水輪發(fā)電機(jī)組的主要部件包括轉(zhuǎn)軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)軸承和推力軸承。由于制造、安裝上存在偏差和運(yùn)行工況的不同，就存在各種不平衡力，主要包括機(jī)械、電磁和水力三個(gè)方面。在這些不平衡力的作用下，水輪發(fā)電機(jī)組會(huì)發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)振幅超過(guò)一定范圍后，在定子和轉(zhuǎn)子之間、導(dǎo)軸承處等可能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件碰摩，從而損壞部件，影響整機(jī)的安全運(yùn)行；而長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組部件的材料疲勞甚至遭到破壞。因此，計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組軸系在各種不平衡力作用下的響應(yīng)是十分必要的。
對(duì)于機(jī)械和電磁不平衡力的研究已經(jīng)比較成熟，而作用在轉(zhuǎn)輪處的橫向水力載荷不易準(zhǔn)確得出，目前還沒(méi)有公認(rèn)的較準(zhǔn)確的方法。在申請(qǐng)者所查閱的文獻(xiàn)范圍內(nèi)，機(jī)組軸系響應(yīng)計(jì)算所需的橫向水力載荷的獲取方法可分為四種理論公式、經(jīng)驗(yàn)公式、計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和反應(yīng)譜方法。
文獻(xiàn)王珂崙.水輪機(jī)組振動(dòng).水利電力出版社.1986中詳細(xì)推導(dǎo)了卡門(mén)渦、迷宮間隙不均勻和尾水管渦帶引起的激振力的幅值和頻率，文獻(xiàn)劉小兵.水輪機(jī)尾水管內(nèi)的流動(dòng)模擬[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).1993；12(1)57～64導(dǎo)出了由尾水管渦帶所引起的周期性振動(dòng)的頻率和壓力脈動(dòng)的計(jì)算公式。
經(jīng)驗(yàn)公式是采用最多的確定橫向水力載荷的方法。文獻(xiàn)王正偉，喻疆，方源，溫曉軍，曹劍綿，石清華.大型水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào).2005；24(4)62～66董毓新.立軸水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)[J].大機(jī)電技術(shù).1986；149～54等都采用了經(jīng)驗(yàn)公式確定橫向水力載荷，所采用的頻率都只是在轉(zhuǎn)頻的基礎(chǔ)上引入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，幅值也一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定或者采用制造商提供的數(shù)據(jù)，但實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與機(jī)型和運(yùn)行工況都有關(guān)系，所以采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果往往不能很好的反映具體情況。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，CFD在橫向水力載荷計(jì)算方面逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)潘擎宇，吳玉林，岑章志.水輪機(jī)尾水管渦帶誘發(fā)的轉(zhuǎn)輪橫向激振力計(jì)算[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).1999；39(8)84～87張雙全，符建平，段開(kāi)林，萬(wàn)鵬.三峽水輪機(jī)尾水管渦帶的CFD數(shù)值模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006.7；34(7)19～23編程或采用商業(yè)軟件，在全流道或只在轉(zhuǎn)輪部分計(jì)算了轉(zhuǎn)輪葉片上的壓力分布。結(jié)果顯示，壓力的分布規(guī)律與實(shí)驗(yàn)和理論符合的較好，但壓力幅值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大。文獻(xiàn)[SHAO Qi，LIU Shuhong，WUYulin，WU Weizhang，TAO Xingming.Three-Dimensional Simulation of Unsteady Flow in aModel Francis Hydraulic Turbine[J].TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY.2004；9(6)694～699]中的結(jié)果顯示隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增大，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏離程度也逐漸增大。
反應(yīng)譜方法是針對(duì)橫向水力載荷中的隨機(jī)特性提出的。T.Schwirzer.Dynamic stressing ofhydroelectric units by stochastic hydraulic forces on the turbine runner[J].Water Power and DamConstruction.January 197739～44E.Kramer.Determining the Hydraulic Lateral Force ofPump-turbine[J].Water Power and Dam Construction.January198150～54將轉(zhuǎn)輪處的水力載荷視為具有瑞利分布特征的隨機(jī)載荷，利用系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算了隨機(jī)載荷作用下的柔度系數(shù)，然后根據(jù)系統(tǒng)的最大位移響應(yīng)值計(jì)算轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的最大值，但這種方法需要假設(shè)隨機(jī)水力載荷的功率譜密度函數(shù)，假設(shè)的形式會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，而且這種方法只能得到橫向水力載荷的幅值。
在申請(qǐng)者所查閱文獻(xiàn)的范圍內(nèi)，上述四種方法都沒(méi)有給出橫向水力載荷相位的測(cè)定方法，而相位對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組軸系的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析是必不可少的，所以上述方法得到的結(jié)果無(wú)法直接用于水輪發(fā)電機(jī)組軸系的不平衡響應(yīng)計(jì)算。
另外，機(jī)組軸系的振動(dòng)是在同時(shí)受到幾種不同激勵(lì)力的情況下產(chǎn)生的，而且各種因素之間存在耦合，比如質(zhì)量和電磁不平衡引起了主軸擺度的變化，而轉(zhuǎn)輪處擺度的變化會(huì)引起轉(zhuǎn)輪處水力不平衡，對(duì)軸的擺動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，如此相互耦合，直到與彈性恢復(fù)力、阻尼力等達(dá)到平衡為止。所以橫向水力載荷是與軸系的實(shí)際擺度和振動(dòng)相關(guān)的，橫向水力載荷的確定也應(yīng)該將各種不平衡力耦合起來(lái)綜合考慮。而上述方法都是單獨(dú)考慮水力因素就確定了橫向水力載荷，與實(shí)際情況不符。
鑒于上述問(wèn)題，依靠實(shí)驗(yàn)的方法研究水力不平衡就顯得十分必要。實(shí)際上水輪機(jī)在工作中，水流所引起的壓力脈動(dòng)大多能在尾水管內(nèi)體現(xiàn)出來(lái)王珂崙，水里機(jī)組振動(dòng)，水利電力出版社，1986，而且尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)在國(guó)內(nèi)外的研究也較多中國(guó)科學(xué)院、水利電力部、水利水電科學(xué)研究院.水輪機(jī)水力振動(dòng)譯文集.北京:水利電力出版社，1979田鋒社.水輪機(jī)壓力脈動(dòng)測(cè)試方法的研究與討論[J].噪聲與振動(dòng)控制.2006，8；(4)111~113，為通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷奠定了良好的基礎(chǔ)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于實(shí)驗(yàn)的測(cè)定水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法獲取相位以及與沒(méi)有考慮各種激勵(lì)相互耦合的問(wèn)題，以獲得可以直接用于軸系響應(yīng)計(jì)算而且更加符合實(shí)際情況的橫向水力載荷表達(dá)式。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法，其特征在于該方法包括以下步驟 1)在尾水管壁面距離尾水管進(jìn)口0.3D2～1.0D2處的兩正交方向上布置兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，其中D2為轉(zhuǎn)輪直徑，通過(guò)壓力傳感器采樣獲得尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)信號(hào)PIx和PIy；在水導(dǎo)軸承處的兩正交方向上布置兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，通過(guò)電渦流傳感器采樣獲得水導(dǎo)軸承處軸頸位移信號(hào)uIx和uIy； 2)剔除PIx中的直流成分，然后進(jìn)行傅立葉分析，獲得PIx的所有主要成分對(duì)應(yīng)的頻率ωi，i＝1，2…n，其中n為主要成分的個(gè)數(shù)； 3)根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)PIx進(jìn)行帶通濾波，保留PIx中ωi對(duì)應(yīng)的成分，獲取該成分的幅值ci；做出該成分時(shí)域波形圖并與發(fā)電機(jī)組已有的基準(zhǔn)信號(hào)波形圖對(duì)比，獲得對(duì)應(yīng)成分的相位

PIx的處理結(jié)果為
4)剔除PIy中的直流成分，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)PIy進(jìn)行帶通濾波，保留PIy中ωi對(duì)應(yīng)的成分，按照對(duì)PIx的處理方法求得該成分的幅值di和相位

，得出PIy的處理結(jié)果

尾水管壓力脈動(dòng)矢量P表示為
5)剔除uIx中的直流成分，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)uIx進(jìn)行帶通濾波，保留uIx中ωi對(duì)應(yīng)的成分xi，得出uIx的處理結(jié)果對(duì)uIy做同樣的處理，處理結(jié)果為轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷引起的水導(dǎo)軸承處軸頸位移u表示為 求出u的幅值最大值umax； 6)引入?yún)?shù)a并假設(shè)轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷形式為
7)通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得水輪發(fā)電機(jī)組軸系的頻率響應(yīng)特性H(ωi)，其中激勵(lì)點(diǎn)為轉(zhuǎn)輪，響應(yīng)點(diǎn)為水導(dǎo)軸承處軸頸； 8)計(jì)算F的均方值利用F和|H(ωi)|計(jì)算水導(dǎo)軸承處軸頸位移響應(yīng)的均方值得出柔度系數(shù) 9)計(jì)算轉(zhuǎn)輪處umax對(duì)應(yīng)的橫向水力載荷幅值最大值與步驟6)中F的幅值最大值進(jìn)行對(duì)比，求出a值，利用步驟6)中的公式得出水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷。
上述技術(shù)方案所述步驟1)中，在尾水管壁面距離尾水管進(jìn)口0.5D2處的兩正交方向上布置兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)；采樣頻率設(shè)定為1000Hz，采樣時(shí)間為10s，壓力脈動(dòng)信號(hào)和位移信號(hào)在采樣前經(jīng)過(guò)低通濾波，截止頻率為100Hz，以提高信號(hào)的信噪比和頻率分辨率。
上述技術(shù)方案所述步驟2)中的主要成分根據(jù)幅頻圖確定，幅值≥0.05最大幅值的成分都認(rèn)為是主要成分。
上述技術(shù)方案所述步驟3)中幅值的確定具體包括去除各占數(shù)據(jù)總量1.5％的最大值和最小值部分，取中間97％的數(shù)據(jù)的最大值與最小值之差的一半作為信號(hào)幅值；而且所述步驟2)、4)、5)中的直流成分也根據(jù)該方法確定。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 ①測(cè)定過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)都可以采用常規(guī)的方法實(shí)現(xiàn)； ②將橫向水力分解為不同頻率成分的疊加，比單一的頻率更接近實(shí)際情況，而所述參數(shù)a和柔度系數(shù)h是通過(guò)橫向水力載荷各主要成分在水導(dǎo)軸承處軸頸的總體響應(yīng)確定的，簡(jiǎn)化了橫向水力載荷的測(cè)定過(guò)程； ③所述方法獲得的橫向水力載荷包含頻率、幅值和相位，可以直接用于水輪發(fā)電機(jī)組軸系的不平衡響應(yīng)計(jì)算； ④所述方法中壓力脈動(dòng)是軸系振動(dòng)以及各種水力因素的耦合作用在尾水管內(nèi)的集中反映，所以測(cè)定得出的橫向水力載荷更加接近實(shí)際情況。



圖1是混流式水輪機(jī)軸系及測(cè)點(diǎn)布置示意圖。
圖2是圖1中A-A剖視圖。
圖3是圖1中B-B剖視圖。
圖4是本發(fā)明測(cè)定壓力脈動(dòng)信號(hào)主要成分的流程圖。
圖5是本發(fā)明測(cè)定水導(dǎo)軸承處橫向水力載荷引起的位移最大值的流程圖。
圖6是本發(fā)明測(cè)定橫向水力載荷形式的流程圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例中PIx的幅頻圖。
圖8是本發(fā)明實(shí)施例中ω1＝7ω的壓力脈動(dòng)成分與基準(zhǔn)信號(hào)波形圖。
圖中1-上導(dǎo)軸承；2-推力軸承；3-水導(dǎo)軸承；4-轉(zhuǎn)輪；5-尾水管；6-PIx測(cè)點(diǎn)；7-PIy測(cè)點(diǎn)；8-uIx測(cè)點(diǎn)；9-uIy測(cè)點(diǎn)。

具體實(shí)施例方式 為了使本發(fā)明的目的、測(cè)定過(guò)程更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
1)在尾水管壁面距離尾水管進(jìn)口0.3D2～1.0D2處的兩正交方向上布置兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，其中D2為轉(zhuǎn)輪直徑，通過(guò)壓力傳感器采樣獲得尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)信號(hào)PIx和PIy；在水導(dǎo)軸承處的兩正交方向上布置兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，通過(guò)電渦流傳感器采樣獲得水導(dǎo)軸承處軸頸位移信號(hào)uIx和uIy。
已有的研究結(jié)果表明，距離尾水管進(jìn)口0.3D2～1.0D2處壓力脈動(dòng)幅值較大，所以測(cè)點(diǎn)應(yīng)該布置在該范圍內(nèi)，而為了使測(cè)得的壓力脈動(dòng)幅值盡可能大以增加信號(hào)的信噪比，壓力測(cè)點(diǎn)布置在尾水管壁距離尾水管進(jìn)口0.5D2處。
為了使采集的信號(hào)盡可能準(zhǔn)確且具有較高的頻率分辨率，信號(hào)采樣的采樣時(shí)間和采樣率分別設(shè)為10s和1000Hz，為了提高采集信號(hào)的信噪比，采樣前進(jìn)行低通濾波，截止頻率設(shè)為100Hz。
軸頸位移的測(cè)點(diǎn)應(yīng)該布置在容易布置測(cè)點(diǎn)、軸頸位移信息豐富而且信號(hào)的信噪比盡可能高的地方，本發(fā)明以水導(dǎo)軸承為例。
壓力測(cè)點(diǎn)布置的方向與位移測(cè)點(diǎn)布置的方向無(wú)關(guān)，而且兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的布置方向之間正交即可，兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)的布置方向之間也只需滿(mǎn)足正交性，圖1、圖2和圖3中的布置情況是用來(lái)說(shuō)明實(shí)施例的一種特殊情況。
2)剔除PIx中的直流成分，然后進(jìn)行傅立葉分析，獲得PIx的所有主要成分對(duì)應(yīng)的頻率ωi，i＝1，2…n，其中n為主要成分的個(gè)數(shù)。
所述PIx的主要成分根據(jù)幅頻圖確定，幅值≥0.05最大幅值的成分都認(rèn)為是主要成分；也可以根據(jù)功率譜確定，主要成分的范圍可根據(jù)精度要求進(jìn)行調(diào)整，比如精度要求較高時(shí)，可以取幅值≥0.01最大幅值的成分為主要成分。
3)根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)PIx進(jìn)行帶通濾波，保留PIx中ωi對(duì)應(yīng)的成分，獲取該成分的幅值ci；做出該成分時(shí)域波形圖并與發(fā)電機(jī)組已有的基準(zhǔn)信號(hào)波形圖對(duì)比，獲得對(duì)應(yīng)成分的相位

PIx的處理結(jié)果為
所述壓力脈動(dòng)主要成分幅值的確定中去除了各占數(shù)據(jù)總量1.5％的最大值和最小值部分，然后取中間97％的數(shù)據(jù)的最大值和最小值之差的一半作為信號(hào)幅值，更好的排除了隨機(jī)因素的影響；所述壓力脈動(dòng)信號(hào)的平均值亦是由該方法確定。
所述相位的確定，與Px所采取的函數(shù)有關(guān)，如果采用sin函數(shù)，則
這種變化只是形式上的，對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響，對(duì)于其他信號(hào)亦是如此，以下不再累述。
4)剔除PIy中的直流成分，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)PIy進(jìn)行帶通濾波，保留PIy中ωi對(duì)應(yīng)的成分，按照對(duì)PIx的處理方法求得該成分的幅值di和相位

，得出PIy的處理結(jié)果

尾水管壓力脈動(dòng)矢量P表示為
所述尾水管壓力脈動(dòng)P的表達(dá)式與實(shí)軸的選取有關(guān)，上述表達(dá)式選取PIx對(duì)應(yīng)的方向?yàn)閷?shí)軸，不同的選取不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的影響，對(duì)于位移u亦是如此，以下不再累述。
5)剔除uIx中的直流成分，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)uIx進(jìn)行帶通濾波，保留uIx中ωi對(duì)應(yīng)的成分xi，得出uIx的處理結(jié)果對(duì)uIy做同樣的處理，處理結(jié)果為轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷引起的水導(dǎo)軸承處軸頸位移u表示為 求出u的幅值最大值umax。
6)引入?yún)?shù)a并假設(shè)轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷形式為
所述橫向水力載荷形式中的負(fù)號(hào)表示在已選定的坐標(biāo)系中，作用于轉(zhuǎn)輪的橫向水力載荷的方向與測(cè)得的壓力脈動(dòng)的方向相反。
7)通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得水輪發(fā)電機(jī)組軸系的頻率響應(yīng)特性H(ωi)，其中激勵(lì)點(diǎn)為轉(zhuǎn)輪，響應(yīng)點(diǎn)為水導(dǎo)軸承處軸頸； 8)計(jì)算F的均方值利用F和|H(ωi)|計(jì)算水導(dǎo)軸承處軸頸位移響應(yīng)的均方值得出柔度系數(shù) 該柔度系數(shù)綜合考慮了所述壓力脈動(dòng)信號(hào)所有主要成分的頻響特性。
9)計(jì)算轉(zhuǎn)輪處umax對(duì)應(yīng)的橫向水力載荷幅值最大值與步驟6)中F的幅值最大值進(jìn)行對(duì)比，求出a值，利用步驟6)中的公式得出水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷。
實(shí)施例 1)圖1是混流式水輪機(jī)軸系及測(cè)點(diǎn)布置示意圖，由于所涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)都較為成熟，此處不再累述，而且為了使實(shí)施例更簡(jiǎn)潔，采用模擬信號(hào)代替實(shí)測(cè)信號(hào)。不同的是，實(shí)測(cè)信號(hào)的噪聲在采樣前被濾除(圖4)，而模擬信號(hào)只能在采樣后濾波，但這不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的影響。
模擬信號(hào) (1)壓力脈動(dòng)信號(hào) PIx＝(104+4×104cos(7ωt+π/2)+2×104cos(14ωt+π)+500cos(9ωt+π/3) +300cos(12ωt+π/5)+gaussian white noise)Pa； PIy＝(104+3×104sin(7ωt+5π/6)+1×104sin(14ωt+5π/6)+400sin(9ωt+2π/3) +200sin(12ωt+3π/5)+gaussian white noise)Pa； (2)水導(dǎo)軸承處軸頸位移信號(hào) uIx＝(0.5×10-4+0.5×10-4cos(ωt+π/5)+2×10-4cos(7ωt+π/5) +1×10-4cos(14ωt+π/5)+gaussian white noise)m； uIy＝(0.5×10-4+0.5×10-4sin(ωt+3π/5)+1.5×10-4sin(7ωt+2π/3) +0.5×10-4sin(14ωt+π/3)+gaussian white noise)m； 其中，ω＝2π(rad/s)是水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻；gaussian white noise是白噪聲，用來(lái)模擬信號(hào)中的噪聲成分。
(3)基準(zhǔn)信號(hào)為與轉(zhuǎn)軸同頻率的脈沖函數(shù)。
低通濾波通過(guò)Matlab中的filtfilt函數(shù)進(jìn)行，該函數(shù)的濾波不會(huì)引入相位誤差，截止頻率設(shè)為100Hz。
2)剔除PIx中直流成分的具體操作為去除上述數(shù)據(jù)中占總量1.5％的最大值和占總量1.5％的最小值，求得其余97％的中間數(shù)據(jù)的平均值，然后用上述數(shù)據(jù)減去該平均值。
傅立葉變換采用Matlab中的FFT函數(shù)進(jìn)行，結(jié)果如圖7所示?？梢灾庇^地看出，頻率為7Hz的成分對(duì)應(yīng)的幅值最大，滿(mǎn)足幅值≥0.05最大幅值的頻率只有7Hz和14Hz，所以，主要成分個(gè)數(shù)為n＝2，對(duì)應(yīng)的頻率為ω1＝7ω和ω2＝14ω。
3)對(duì)ω1＝7ω的成分進(jìn)行帶通濾波，然后去除占總量1.5％的最大值部分和占總量1.5％的最小值部分，幅值確定為剩余數(shù)據(jù)中最大值與最小值之差的一半，確定的結(jié)果為c1＝40444Pa。
將所述基準(zhǔn)信號(hào)與經(jīng)過(guò)帶通濾波的信號(hào)畫(huà)在同一坐標(biāo)系中，取采樣時(shí)間中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的部分，如圖8所示。根據(jù)已經(jīng)求得的頻率以及圖中的數(shù)據(jù)容易得出，所述經(jīng)過(guò)帶通濾波的信號(hào)超前基準(zhǔn)信號(hào)的相位可以由下式確定
其中，0.036＝5-4.964(圖8)，7為該成分信號(hào)的頻率(Hz)。
至此，PIx中幅值最大的壓力脈動(dòng)成分可確定為 Px1＝40444cos(7ωt+0.504π)Pa； 對(duì)ω2＝14ω的成分做同樣的處理，其中只需改變帶通濾波的截止頻率。對(duì)于PIx，確定的結(jié)果為 Px＝(40444cos(7ωt+0.504π)+20677cos(14ωt+π))Pa。
3)剔除PIy中的直流成分的過(guò)程與PIx相同同，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)PIy進(jìn)行帶通濾波，保留PIy中ωi對(duì)應(yīng)的成分，采用與確定PIx幅值、相位同樣的方法確定該成分的幅值和相位，確定結(jié)果為幅值d1＝30052Pa，d2＝10315Pa，相位

，

，所以PIy的處理結(jié)果為 Py＝(30052sin(7ωt+0.826π)+10315sin(14ωt+0.812π))Pa； 尾水管壓力脈動(dòng)矢量P確定為 P＝Px+iPy＝(40444cos(7ωt+0.504π)+i×30052sin(7ωt+0.826π) +20677cos(14ωt+π)+i×10315sin(14ωt+0.812π))Pa。
5)剔除uIx中的直流成分，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)uIx進(jìn)行帶通濾波，得出uIx中ωi對(duì)應(yīng)的成分xi，得出位移對(duì)uIy做同樣的處理，得出位移得出橫向水力載荷引起的水導(dǎo)軸承處軸頸位移 求出u的幅值最大值umax＝3.368×10-4m(圖5)； 6)引入?yún)?shù)a，假設(shè)橫向水力形式如下式 F＝-aP＝(-40444acos(7ωt+0.504π)-i×30052a sin(7ωt+0.826π) -20677acos(14ωt+π)-i×10315asin(14ωt+0.812π))Pa。
7)確定頻響函數(shù)。利用模態(tài)實(shí)驗(yàn)可確定頻率響應(yīng)函數(shù)，此處不再累述，為了方便計(jì)算，假設(shè) |H(ω1)|＝0.5×10-9m/N，|H(ω2)|＝1×10-9m/N。
8)F的均方值為 利用F和|H(ωi)|計(jì)算水導(dǎo)軸承處軸頸位移響應(yīng)的均方值為 柔度系數(shù) 9)根據(jù)umax＝3.368×10-4m計(jì)算對(duì)應(yīng)的橫向水力載荷幅值最大值 又根據(jù)6)中所述F的形式可得 Fmax＝64189Pa×a， 所以 至此，橫向水力載荷F測(cè)定為 F＝(-344sin(7ωt+0.504π)-i×256sin(7ωt+0.826π) -180cos(14ωt+π)-i×87.8sin(14ωt+0.812π))KN， 該表達(dá)式可以直接用于水輪發(fā)電機(jī)組軸系響應(yīng)的計(jì)算。
權(quán)利要求
1、一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法，其特征在于該方法包括以下步驟
1)在尾水管壁面距離尾水管進(jìn)口0.3D2～1.0D2處的兩正交方向上布置兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，其中D2為轉(zhuǎn)輪直徑，通過(guò)壓力傳感器采樣獲得尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)信號(hào)PIx和PIy；在水導(dǎo)軸承處的兩正交方向上布置兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，通過(guò)電渦流傳感器采樣獲得水導(dǎo)軸承處軸頸位移信號(hào)uIx和uIy；
2)剔除PIx中的直流成分，然后進(jìn)行傅立葉分析，獲得PIx的所有主要成分對(duì)應(yīng)的頻率ωi，i＝1，2…n，其中n為主要成分的個(gè)數(shù)；
3)根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)PIx進(jìn)行帶通濾波，保留PIx中ωi對(duì)應(yīng)的成分，獲取該成分的幅值ci；做出該成分時(shí)域波形圖并與發(fā)電機(jī)組已有的基準(zhǔn)信號(hào)波形圖對(duì)比，獲得對(duì)應(yīng)成分的相位
PIx的處理結(jié)果為
4)剔除PIy中的直流成分，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)PIy進(jìn)行帶通濾波，保留PIy中ωi對(duì)應(yīng)的成分，按照對(duì)PIx的處理方法求得該成分的幅值di和相位
得出PIy的處理結(jié)果
尾水管壓力脈動(dòng)矢量P表示為
5)剔除uIx中的直流成分，根據(jù)PIx主要成分的每個(gè)頻率ωi對(duì)uIx進(jìn)行帶通濾波，保留uIx中ωi對(duì)應(yīng)的成分xi，得出uIx的處理結(jié)果對(duì)uIy做同樣的處理，處理結(jié)果為轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷引起的水導(dǎo)軸承處軸頸位移u表示為
求出u的幅值最大值umax；
6)引入?yún)?shù)a并假設(shè)轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷形式為
7)通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得水輪發(fā)電機(jī)組軸系的頻率響應(yīng)特性H(ωi)，其中激勵(lì)點(diǎn)為轉(zhuǎn)輪，響應(yīng)點(diǎn)為水導(dǎo)軸承處軸頸；
8)計(jì)算F的均方值利用F和|H(ωi)|計(jì)算水導(dǎo)軸承處軸頸位移響應(yīng)的均方值得出柔度系數(shù)
9)計(jì)算轉(zhuǎn)輪處umax對(duì)應(yīng)的橫向水力載荷幅值最大值與步驟6)中F的幅值最大值進(jìn)行對(duì)比，求出a值，利用步驟6)中的公式得出水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷。
2、如權(quán)利要求1所述的一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法，其特征在于，所述步驟1)中，在尾水管壁面距離尾水管進(jìn)口0.5D2處的兩正交方向上布置兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)；采樣頻率設(shè)定為1000Hz，采樣時(shí)間為10s，壓力脈動(dòng)信號(hào)和位移信號(hào)在采樣前經(jīng)過(guò)低通濾波，截止頻率為100Hz，以提高信號(hào)的信噪比和頻率分辨率。
3、如權(quán)利要求1所述的一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法，其特征在于，所述步驟2)中的主要成分根據(jù)幅頻圖確定，幅值≥0.05最大幅值的成分都認(rèn)為是主要成分。
4、如權(quán)利要求1所述的一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法，其特征在于，所述步驟3)中幅值的確定具體包括去除各占數(shù)據(jù)總量1.5％的最大值和最小值部分，取中間97％的數(shù)據(jù)的最大值與最小值之差的一半作為信號(hào)幅值；而且所述步驟2)、4)、5)中的直流成分也根據(jù)該方法確定。
全文摘要
一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的測(cè)定方法，涉及一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)和水導(dǎo)軸承處軸頸位移來(lái)確定轉(zhuǎn)輪處橫向水力載荷的方法。該方法包括以下步驟a.通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得水導(dǎo)軸承處軸頸位移信號(hào)、尾水管壓力脈動(dòng)信號(hào)和水輪發(fā)電機(jī)組軸系的頻響特性；b.通過(guò)信號(hào)分析得出壓力脈動(dòng)主要成分的幅值、頻率和相位；c.假設(shè)橫向水力載荷形式并利用頻響特性確定所述軸系在該載荷作用下的柔度系數(shù)；d.根據(jù)橫向水力載荷引起的位移幅值最大值和柔度系數(shù)確定橫向水力載荷。本發(fā)明將橫向水力載荷分解為不同頻率成分的疊加，并測(cè)出了相位，而且所述壓力脈動(dòng)是各種激勵(lì)的耦合作用在尾水管內(nèi)的集中反映，得出的橫向水力載荷更接近實(shí)際情況。
文檔編號(hào)G01L5/00GK101446509SQ20081022705
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者佀曉輝, 馮輔周, 褚福磊, 盧文秀, 趙景山 申請(qǐng)人:清華大學(xué)