大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析

张恒

摘要：大型混流式水轮机在轮叶片结构的动力特性十分特殊。尤其是在水轮机叶片的动力结构体系上，需要根据混流式水轮机的整体情况对其受力结构以及动力情况进行较为明确的分析。同时，还要根据其叶片的动力变化情况，根据其旋转特点以及动力变化体系的特点。在多流向以及混流式的变化情况下，其叶片的结构动力也会根据水轮机的变化而发生相应的改变。本文主要针对大型混流式水轮机转轮叶片结构的动力特性进行分析，并根据其力的变化性，对叶片结构的多维变化进行分析。

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.

关键词：大型混流;水轮机;叶片结构;动力特性分析

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

中图分类号：TK733+.1                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）17-0147-03

0  引言

为了能够顺应新能源体系的发展，水力发电已经逐渐地成为一种必然的趋势和未来必备的一种新型能源。在进行大型混流式水轮机的叶片结构动力的全面分析过程中，需要根据其动力的特性以及受力的特点，对其水力发电的效率。水力发电的特征进行显著性的动力结构体系的分析。而且在机械自动化技术全面发展的今天，机电一体化已经成为一种趋势。尤其是在自动化生产过程中，其机械自动化技术已经逐渐地趋于成熟，而且自动化技术也在逐渐地发生改变。以机械动力发展为主体，对水轮机进行叶片发电动力的基础改造已经逐渐地成为一种发展的途径和未来发展趋势的一种必然。因此，提高混流式水轮机的转化效率以及提升相应的动力结构运转效率十分关键。

1  大型混流式水轮机自振频率体系分析

1.1 主振频率分析

在水轮机的全面运转过程中，其动力运转体系在多种因素的影响下也会存在一定的变化性。尤其是在主振频率的体系结构上，固有频率在多维一体的振动介质中，其相应地耦合振动结构也会随着不同的介质以及空气的变化而发生实质性的改变。这样，当液体机械在进行正常转动或者进行反转的过程中，其高频率体系与低频率结构也会随着主频率的动力结构发生一定的倾斜性变化。因此，无论是从动力结构上分析，还是从主频率的阶段性上分析。大型混流式水轮机在自振频率上，其主频率发挥着极为重要的作用。

1.2 自振频率分析

自振频率与水轮机转叶的向心力以及轮叶结构息息相关。在振动的过程中，其主频率的振动方式以及自振的形式也在逐步性发生改变。因此为了能够使得其相应地振动频率以及振动的方式得到相应的改变。在进行多元化的自振频率体系改变时，同样需要对其自振的形式和相关的参数性进行数据的明确剖析和自动化的改变。根据其弹性结构的自由组合，在进行自振特性的数据体系分析中。水轮机的叶片向心力具有多個三维体系单元。[1]同时对于其不同的矩阵数据也会做出新的数据体系分析和相应地要求。其矩阵的工具数据要求如下所示：

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

在数据单元格中，其[D]为弹性矩阵，[Bi]、[Bj]为应力、应变关系矩阵。每个单元的单元矩阵也会根据其数据的变化性，在不同的应力结构的变化下发生一定的性的改变。但是由于水轮机的转速不同，其自振的体系和速率始终不同。因此，从结构层次出发或者是从自由度的节点出发，其频率的改变必然会使得自振频率发生一定的改变。使得力的附加质量增加，从而在边界条件的数据通用性得到相应的增强。

2  水轮机转轮叶片结构动力分析

2.1 附加质量参数分析

在附加质量的参数矩阵上，其边界数据与质量总体系在进行数据性的总计算中，其边界条件在数据的调整中同样会发生一定性质的改变。尤其是在自由垂直度上，系统运动方程和系统阻尼数据同样会决定其钢度矩阵的整体附加值，其相应地系统运动方程如下所示：

[M]{u¨}+[C]{·u}+[K]{u}=F（t）

在数据的自由组合中，当 F（t）=0，其相应地实际工程数据在频率的影响和自由数据的组合中会得到不同数据性的方程结合点。尤其是在自振频率以及系统自由组合的振动频率上，其相应地单叶片的数据变化性必然也会使得机械化数据以及轮转化的偏移，可以先结合数据进行简单的和谐数据的运动。[2]其计算公式如下所示：

{u}={u0}cos（ωt）

在数据化的自由振动控制中，其不同的零点数据以及频率方程数据在数据化的倾斜以及多频率的振动中，其二维组成的数据会出现反比化的运动变化。同时，在自由组合的频率振动中，不同的振幅在求解方程中也不会全部归零。同时，轮转系统在自由转动的频率方面会出现W和{u0}的振型。这样，在多维一体化的混流数据的波动中，其叶片的计算结果以及精确度都存在多样化的标准以及数据化的单元结构性。因此，在精度差别较大的情况下，其中间节点以及SOLID92单元类型，在不同的单元结构密度中，水质化结构计算体系也会结合自由振动的趋势出现自由耦合的过程。[3]同时，在多方的自由振动控制中，其压力的振动以及水力压力的变化情况也会越来越明显。这也是一个较为显著的液体弹性体系和无阻尼弹性体的自由振动方程作相应的修正。

2.2 叶体模拟数据的计算

在进行网格化的数据自动剖析的过程中，发电机传感系统的故障排查。对于发电机而言，传感系统一般是故障排查的重点。因为，在保证硬件设施进行电磁切割进行发电的同时，电力若无监测箱的变压以及传输，很难使得水轮得到有效地利用。因此，在进行故障排查的过程中，首先需要结合监测箱的智能排查系统，对其进行系统化的排查。与此同时，还要结合监测的数据对其进行PLC软件数据的临时修正，使得部分自动化程序能够控制解决一些基础性的故障，如电力自动化复位以及零点复位等基础性的故障。若智能化复位效果不够显著，或者是反复性出现此类故障，则可以利用监测的数据，对控源数据进行重新的编写，并排查传感器以及电磁继电器是否存在一定的故障。若有故障则需要进行及时性的排除，并复位自动化故障排除装置。同时，还需要对材料的弹性数据体系以及模性量的材料质量密度进行模量数据的分析和处理。可以取2.1×106MPa为基础数据进行自动化网格数据的全面剖析。结合不同的单元格以及网格数据进行尺寸的界定以及单元点数据的多元点向数据的控制和描点分析。这样，其总单元的个数在叶片的自振频率上数据也会逐渐地清晰和明确。

2.3 传动机组的转向动力分析

在进行发电机组的体系分析中，其机组齿轮会根据不同的监测结构进行技术的变化分析。首先是在机组齿轮的传动方面，需要根据轴承以及齿轮的变化以及测算机组动力的带动情况，对其进行综合性的传动分析。与此同时，从传动机组的体系上来讲，不同的传动动力系统在传动的过程中，动力也会不尽相同。首先是在传动的方式上，较为常见的为三步异向电动机是主要的传动结构体系。同时，在机组传动的过程中，其数字电路与齿轮箱的传感数据系统也具有紧密的联系。因此，在通过动力涡轮进行传感分析的过程中，需要结合机组的整体变化情况以及动力体系进行紧密的联系分析，并根据传感系统的需求，对齿轮监测的精准度进行提高，完善传动机组以及发电机组的故障诊断技术体系。同时，在但叶片的数据控制分析中，其不同的建模和数据分散会使得假定数据的液体流速以及动力体系流速的情况进行叶片的全面接触。单元节点以及自由数据的混合性也会使得其耦合性的水体单元性价值提高。[4]其在动力传输的过程中，可以采用多种方式进行处理：

①对只有压力自由度的单元，只需指定自由液面处的压力自由度为零（类似于结构分析中指定某处的位移为零）。

②对和叶片耦合的液体单元，则只需指出单元和叶片相耦合的面，而这些面上的压力、位移参量关系的确定则由程序自动完成。

在不同的单元流体结构中，其依旧会存在中间数据的节点控制问题。尤其是在单元选用节点的固体带动中，其SOLID92单元在空气频率的变化中会按照其水介质的变化以及固体的单向变化性进行节点的单元点控制研究。

对于发电机而言，其在保障其传动系统无任何障碍的情况下，还要根据其机组的变化性，对其传动系统的结构性结合风力的传动效率进行数据科学分析。需要对电机的电磁、电动力以及传感器、感应器进行电磁切割的排查。保证其硬件设施在有风的情况下能够正常的运转，进而达到较好地液体数据模拟效果。

3  转轮机单叶片动力计算结果分析

3.1 单叶片动力水介质频率分析

从单方面的介质体系上来看，在不同的自振数据中，其相应的固有数据频率与其相应的频率数据存在一定的差异化价值。主要表现公式为：

η=fw/fa

在数据公式中，其相应地耦合数据结构频率在空气振动中存在一定的数据偏差值。而且不同的偏差结果也会因为数据的改变而发生变化性。尤其是在主频率以及偏向值的数据变化分析，能够全面提高其单叶片数据的介质变化性。最终使得转轮机的数据测算更为准确。

3.2 轉轮的轴向心力数据测算

齿轮轮体故障。对于齿轮的轮体故障在机组的传动中较为少见。其基本2-3年左右才会出现一次故障。从整体的故障体系上来分析，在轮齿的故障控制中，需要对其轴承以及轴心的向心力进行测算，对其稳定性进行数据性的分析，若不超过安全范围值，可根据实际性的需要，对其进行基础的保养工作。如：清洁轴心杂物，增加润滑性等方式进行技术诊断。若出现超范围值，则必须引起重视，可根据实际性的需要对轴心或者是轴承进行必要性的替换。并计算出较为合理的数值，结合其发电机的数据进行综合性地诊断。

同时，在不同的中间数据节点上，其相应的单元格数据精确度以及计算过程也会存在数据的敏感性以及单元节点的数据性叶会发生相应地改变。这样，叶片在接近其板壳结构的过程中，其应用单元格以及单元数据在满足精度的情况下，也需要根据转轮机的特点以及向心力的表现形式进行明确性的分析。从而达到较为显著的数据测算效果。[5]并且还能较好地提高其数据的精确性和准确性。

4  结语

大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析十分重要，其对于整体的传动体系以及动力机组的变化具有十分重要的作用。与此同时，在进行水轮机叶片的多元化分析中，还要对其风力发电的特性以及机组的变化性进行多维一体化的研究和深入性的探讨。这样，其风力发电的整体组合性以及变化性在动力数据的测算中，对其频率变化以及混流式的数据变化具有显著性的提高。从而使得单元节点的转轮效果得到更为精准的测算和动力提升。

参考文献：

[1]唐健，赖喜德，彭悦蓉，朱李，夏密秘.考虑密封作用的混流式水轮机转轮动力特性分析[J].大电机技术，2020（04）：43-46，51.

[2]肖若富，王福军，桂中华.混流式水轮机叶片疲劳裂纹分析及其改进方案[J].水利学报，2019，42（08）：970-974.

[3]李朝晖，姜建勋.常规水轮机的检修工艺研究[J].价值工程，2019，38（32）：215-216.