大型混流式水輪機轉輪葉片結構動力特性分析

張恒

摘要：大型混流式水輪機在輪葉片結構的動力特性十分特殊。尤其是在水輪機葉片的動力結構體系上，需要根據混流式水輪機的整體情況對其受力結構以及動力情況進行較為明確的分析。同時，還要根據其葉片的動力變化情況，根據其旋轉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，其葉片的結構動力也會根據水輪機的變化而發生相應的改變。本文主要針對大型混流式水輪機轉輪葉片結構的動力特性進行分析，并根據其力的變化性，對葉片結構的多維變化進行分析。

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.

關鍵詞：大型混流;水輪機;葉片結構;動力特性分析

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

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

0 ?引言

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

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過程中，其動力運轉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構上，固有頻率在多維一體的振動介質中，其相應地耦合振動結構也會隨著不同的介質以及空氣的變化而發生實質性的改變。這樣，當液體機械在進行正常轉動或者進行反轉的過程中，其高頻率體系與低頻率結構也會隨著主頻率的動力結構發生一定的傾斜性變化。因此，無論是從動力結構上分析，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葉的向心力以及輪葉結構息息相關。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生改變。因此為了能夠使得其相應地振動頻率以及振動的方式得到相應的改變。在進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的參數性進行數據的明確剖析和自動化的改變。根據其彈性結構的自由組合，在進行自振特性的數據體系分析中。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據也會做出新的數據體系分析和相應地要求。其矩陣的工具數據要求如下所示：

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

在數據單元格中，其[D]為彈性矩陣，[Bi]、[Bj]為應力、應變關系矩陣。每個單元的單元矩陣也會根據其數據的變化性，在不同的應力結構的變化下發生一定的性的改變。但是由于水輪機的轉速不同，其自振的體系和速率始終不同。因此，從結構層次出發或者是從自由度的節點出發，其頻率的改變必然會使得自振頻率發生一定的改變。使得力的附加質量增加，從而在邊界條件的數據通用性得到相應的增強。

2 ?水輪機轉輪葉片結構動力分析

2.1 附加質量參數分析

在附加質量的參數矩陣上，其邊界數據與質量總體系在進行數據性的總計算中，其邊界條件在數據的調整中同樣會發生一定性質的改變。尤其是在自由垂直度上，系統運動方程和系統阻尼數據同樣會決定其鋼度矩陣的整體附加值，其相應地系統運動方程如下所示：

[M]{u¨}+[C]{·u}+[K]{u}=F（t）

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

{u}={u0}cos（ωt）

在數據化的自由振動控制中，其不同的零點數據以及頻率方程數據在數據化的傾斜以及多頻率的振動中，其二維組成的數據會出現反比化的運動變化。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，輪轉系統在自由轉動的頻率方面會出現W和{u0}的振型。這樣，在多維一體化的混流數據的波動中，其葉片的計算結果以及精確度都存在多樣化的標準以及數據化的單元結構性。因此，在精度差別較大的情況下，其中間節點以及SOLID92單元類型，在不同的單元結構密度中，水質化結構計算體系也會結合自由振動的趨勢出現自由耦合的過程。[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的修正。

2.2 葉體模擬數據的計算

在進行網格化的數據自動剖析的過程中，發電機傳感系統的故障排查。對于發電機而言，傳感系統一般是故障排查的重點。因為，在保證硬件設施進行電磁切割進行發電的同時，電力若無監測箱的變壓以及傳輸，很難使得水輪得到有效地利用。因此，在進行故障排查的過程中，首先需要結合監測箱的智能排查系統，對其進行系統化的排查。與此同時，還要結合監測的數據對其進行PLC軟件數據的臨時修正，使得部分自動化程序能夠控制解決一些基礎性的故障，如電力自動化復位以及零點復位等基礎性的故障。若智能化復位效果不夠顯著，或者是反復性出現此類故障，則可以利用監測的數據，對控源數據進行重新的編寫，并排查傳感器以及電磁繼電器是否存在一定的故障。若有故障則需要進行及時性的排除，并復位自動化故障排除裝置。同時，還需要對材料的彈性數據體系以及模性量的材料質量密度進行模量數據的分析和處理。可以取2.1×106MPa為基礎數據進行自動化網格數據的全面剖析。結合不同的單元格以及網格數據進行尺寸的界定以及單元點數據的多元點向數據的控制和描點分析。這樣，其總單元的個數在葉片的自振頻率上數據也會逐漸地清晰和明確。

2.3 傳動機組的轉向動力分析

在進行發電機組的體系分析中，其機組齒輪會根據不同的監測結構進行技術的變化分析。首先是在機組齒輪的傳動方面，需要根據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構體系。同時，在機組傳動的過程中，其數字電路與齒輪箱的傳感數據系統也具有緊密的聯系。因此，在通過動力渦輪進行傳感分析的過程中，需要結合機組的整體變化情況以及動力體系進行緊密的聯系分析，并根據傳感系統的需求，對齒輪監測的精準度進行提高，完善傳動機組以及發電機組的故障診斷技術體系。同時，在但葉片的數據控制分析中，其不同的建模和數據分散會使得假定數據的液體流速以及動力體系流速的情況進行葉片的全面接觸。單元節點以及自由數據的混合性也會使得其耦合性的水體單元性價值提高。[4]其在動力傳輸的過程中，可以采用多種方式進行處理：

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（類似于結構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、位移參量關系的確定則由程序自動完成。

在不同的單元流體結構中，其依舊會存在中間數據的節點控制問題。尤其是在單元選用節點的固體帶動中，其SOLID92單元在空氣頻率的變化中會按照其水介質的變化以及固體的單向變化性進行節點的單元點控制研究。

對于發電機而言，其在保障其傳動系統無任何障礙的情況下，還要根據其機組的變化性，對其傳動系統的結構性結合風力的傳動效率進行數據科學分析。需要對電機的電磁、電動力以及傳感器、感應器進行電磁切割的排查。保證其硬件設施在有風的情況下能夠正常的運轉，進而達到較好地液體數據模擬效果。

3 ?轉輪機單葉片動力計算結果分析

3.1 單葉片動力水介質頻率分析

從單方面的介質體系上來看，在不同的自振數據中，其相應的固有數據頻率與其相應的頻率數據存在一定的差異化價值。主要表現公式為：

η=fw/fa

在數據公式中，其相應地耦合數據結構頻率在空氣振動中存在一定的數據偏差值。而且不同的偏差結果也會因為數據的改變而發生變化性。尤其是在主頻率以及偏向值的數據變化分析，能夠全面提高其單葉片數據的介質變化性。最終使得轉輪機的數據測算更為準確。

3.2 轉輪的軸向心力數據測算

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行測算，對其穩定性進行數據性的分析，若不超過安全范圍值，可根據實際性的需要，對其進行基礎的保養工作。如：清潔軸心雜物，增加潤滑性等方式進行技術診斷。若出現超范圍值，則必須引起重視，可根據實際性的需要對軸心或者是軸承進行必要性的替換。并計算出較為合理的數值，結合其發電機的數據進行綜合性地診斷。

同時，在不同的中間數據節點上，其相應的單元格數據精確度以及計算過程也會存在數據的敏感性以及單元節點的數據性葉會發生相應地改變。這樣，葉片在接近其板殼結構的過程中，其應用單元格以及單元數據在滿足精度的情況下，也需要根據轉輪機的特點以及向心力的表現形式進行明確性的分析。從而達到較為顯著的數據測算效果。[5]并且還能較好地提高其數據的精確性和準確性。

4 ?結語

大型混流式水輪機轉輪葉片結構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，在進行水輪機葉片的多元化分析中，還要對其風力發電的特性以及機組的變化性進行多維一體化的研究和深入性的探討。這樣，其風力發電的整體組合性以及變化性在動力數據的測算中，對其頻率變化以及混流式的數據變化具有顯著性的提高。從而使得單元節點的轉輪效果得到更為精準的測算和動力提升。

參考文獻：

[1]唐健，賴喜德，彭悅蓉，朱李，夏密秘.考慮密封作用的混流式水輪機轉輪動力特性分析[J].大電機技術，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方案[J].水利學報，2019，42（08）：970-974.

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