[发明专利]一种水轮发电机组转轮处横向水力载荷的测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水轮发电机组转轮处横向水力载荷的测定方法，更具体地说，涉及一种通过实验获得尾水管内压力脉动和水导轴承处轴颈位移来确定转轮处横向水力载荷的方法，属于转子动力学和实验力学领域。

背景技术

水轮发电机组的主要部件包括转轴、发电机转子、水轮机转轮、导轴承和推力轴承。由于制造、安装上存在偏差和运行工况的不同，就存在各种不平衡力，主要包括机械、电磁和水力三个方面。在这些不平衡力的作用下，水轮发电机组会发生振动，当振幅超过一定范围后，在定子和转子之间、导轴承处等可能发生转动部件和固定部件碰摩，从而损坏部件，影响整机的安全运行；而长期的振动会导致机组部件的材料疲劳甚至遭到破坏。因此，计算水轮发电机组轴系在各种不平衡力作用下的响应是十分必要的。

对于机械和电磁不平衡力的研究已经比较成熟，而作用在转轮处的横向水力载荷不易准确得出，目前还没有公认的较准确的方法。在申请者所查阅的文献范围内，机组轴系响应计算所需的横向水力载荷的获取方法可分为四种：理论公式、经验公式、计算流体力学(CFD)和反应谱方法。

文献【王珂崙.水轮机组振动.水利电力出版社.1986】中详细推导了卡门涡、迷宫间隙不均匀和尾水管涡带引起的激振力的幅值和频率，文献【刘小兵.水轮机尾水管内的流动模拟[J].四川工业学院学报.1993；12(1)：57～64】导出了由尾水管涡带所引起的周期性振动的频率和压力脉动的计算公式。

经验公式是采用最多的确定横向水力载荷的方法。文献【王正伟，喻疆，方源，温晓军，曹剑绵，石清华.大型水轮发电机组转子动力学特性分析[J].水力发电学报.2005；24(4)：62～66】【董毓新.立轴水轮发电机组的振动[J].大机电技术.1986；1：49～54】等都采用了经验公式确定横向水力载荷，所采用的频率都只是在转频的基础上引入一个经验系数，幅值也一般是根据经验确定或者采用制造商提供的数据，但实验表明经验系数与机型和运行工况都有关系，所以采用经验公式计算的结果往往不能很好的反映具体情况。

随着计算机技术的进步，CFD在横向水力载荷计算方面逐渐得到了广泛的应用，文献【潘擎宇，吴玉林，岑章志.水轮机尾水管涡带诱发的转轮横向激振力计算[J].清华大学学报(自然科学版).1999；39(8)：84～87】【张双全，符建平，段开林，万鹏.三峡水轮机尾水管涡带的CFD数值模拟[J].华中科技大学学报(自然科学版).2006.7；34(7)：19～23】编程或采用商业软件，在全流道或只在转轮部分计算了转轮叶片上的压力分布。结果显示，压力的分布规律与实验和理论符合的较好，但压力幅值与实验结果偏差较大。文献[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]中的结果显示随着导叶开度的增大，计算结果与实验结果的偏离程度也逐渐增大。

反应谱方法是针对横向水力载荷中的随机特性提出的。【T.Schwirzer.Dynamic stressing ofhydroelectric units by stochastic hydraulic forces on the turbine runner[J].Water Power and DamConstruction.January 1977：39～44】【E.Kramer.Determining the Hydraulic Lateral Force ofPump-turbine[J].Water Power and Dam Construction.January 1981：50～54】将转轮处的水力载荷视为具有瑞利分布特征的随机载荷，利用系统的频率响应函数计算了随机载荷作用下的柔度系数，然后根据系统的最大位移响应值计算转轮处横向水力载荷的最大值，但这种方法需要假设随机水力载荷的功率谱密度函数，假设的形式会对结果产生显著的影响，而且这种方法只能得到横向水力载荷的幅值。

在申请者所查阅文献的范围内，上述四种方法都没有给出横向水力载荷相位的测定方法，而相位对水轮发电机组轴系的动力学响应分析是必不可少的，所以上述方法得到的结果无法直接用于水轮发电机组轴系的不平衡响应计算。