[发明专利]一种水轮机转轮湿模态分析方法

说明书

本发明公开了一种水轮机转轮湿模态分析方法，包括以下步骤：S1，确定影响转轮湿模态的流体的有效区间范围，将有效区间范围内的流体沿转轮回转轴分为n层，其中n≥2且n为正整数；S2，将每层流体假设为无体积的质点，获取转轮表面流体的附加质量矩阵Ma；S3，计算转轮湿模态的固有频率ω湿。本发明解决了现有技术存在的计算效率低，模型稳定性差、评价数据选取模糊和繁琐的问题。

技术领域

本发明涉及水轮机振动特性分析技术领域，具体是一种水轮机转轮湿模态分析方法。

背景技术

水轮机转轮湿模态是水轮机转轮在水中的固有振动特性。由于水和空气的密度和粘性差别很大，因此，转轮的湿模态ω_湿和干模态ω_干(空气中的固有振动特性)差异也有较大。具体表现为，转轮湿模态和干模态具有相同和近似的振型，但湿模态的固有频率低于干模态。即湿模态存在缩减，定义为衰减系数，λ＝ω_湿/ω_干。

在进行水轮机转轮的抗振设计时，需要使转轮的固有频率错开水在流经固定导叶、活动导叶、转轮后的主要激励频率。因此，在主要激励频率确定后，需要对设计好转轮进行湿模态计算，使其综合最大共振频率错开主要激励频率，避免发生共振。

目前的做法是：(1)计算转轮的干模态，再乘以经验衰减系数λ；(2)建出转轮周围水体的模型，将水绑定在转轮表面进行湿模态计算。方案(1)存在的问题是：由于湿模态每阶或任意节径的衰减系数不一样，该方法得到的湿模态固有频率准确性较差，并不能有效指导转轮的抗振设计。方案(2)存在的问题是，将三维形态的水直接绑在转轮表面，会改变转轮的结构形态，导致转轮湿模态振型发生一定改变；对于水轮机类似的旋转机械，该方法还会产生多余且毫无规律的湿模态振动特性，不利于干模态与湿模态的设计对比，以及衰减系数λ的确定。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种水轮机转轮湿模态分析方法，解决现有技术存在的计算效率低，模型稳定性差、评价数据选取模糊和繁琐的问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种水轮机转轮湿模态分析方法，包括以下步骤：

S1，确定影响转轮湿模态的流体的有效区间范围，将有效区间范围内的流体沿转轮回转轴分为n层，其中n≥2且n为正整数；

S2，将每层流体假设为无体积的质点，获取转轮表面流体的附加质量矩阵M_a；

S3，计算转轮湿模态的固有频率ω_湿，计算公式为：

|K_s-ω_湿²(M_s+M_a)|＝0，                 (1)

其中，K_s为转轮刚度矩阵，M_s为转轮质量矩阵。

由于转轮表面流体附加质量矩阵Ma的引入，在实际计算过程中，Ma代替了水体的三维分布特性，简化了计算模型，降低了计算模型的体量，提高了计算的效率，也消除了流-固耦合界面的振荡特性，提高了计算的稳定性。同样，由于流体被无体积的Ma矩阵替代，在进行湿模态计算时，计算模型的几何特性和干模态计算模型具有更好的一致性，避免了无规律湿模态的衍生，有利于工程应用中转轮模态数据的选取、判断和评价。以上技术方案，解决了现有技术存在的计算效率低，模型稳定性差、评价数据选取模糊和繁琐的问题。

作为一种优选的技术方案，步骤S2中，获取转轮表面流体的附加质量矩阵Ma的计算公式为：