阅读说明：本技术 一种确定水轮机动静干涉振动能量的方法 (Method for determining dynamic and static interference vibration energy of water turbine ) 是由 王治国 王贵 陶星明 覃大清 李志和 钟苏 李伟刚 任光辉 李全胜 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种确定水轮机动静干涉振动能量的方法。通过对水轮机的振动和压力脉动试验测试,对得到的水轮机的动静干涉频率进行振动和压力脉动能量谱分析与统计,当振动能量和压力脉动能量在水轮机上游侧到下游侧的各个部件统计规律一致时,确定水轮机各部位的动静干涉频率的振动能量。本发明可以应用于水轮机各部位的动静干涉频率的振动能量的确定,以便对动静干涉振动的能量进行评估,避免水轮机运行时的动静干涉振动对水轮机厂房和机组的固定部件造成破坏,保证发电机组长期稳定运行。(The invention discloses a method for determining dynamic and static interference vibration energy of a water turbine. Through vibration and pressure pulsation test tests of the water turbine, vibration and pressure pulsation energy spectrum analysis and statistics are carried out on the obtained dynamic and static interference frequency of the water turbine, and when the statistical rules of the vibration energy and the pressure pulsation energy of all parts from the upstream side to the downstream side of the water turbine are consistent, the vibration energy of the dynamic and static interference frequency of all parts of the water turbine is determined. The method can be applied to the determination of the vibration energy of the dynamic and static interference frequency of each part of the water turbine so as to evaluate the energy of the dynamic and static interference vibration, avoid the damage of the dynamic and static interference vibration of the water turbine during the operation to the fixed parts of a plant and a unit of the water turbine, and ensure the long-term stable operation of the unit.)

一种确定水轮机动静干涉振动能量的方法

技术领域

本发明涉及一种水轮机振动领域，尤其涉及一种确定水轮机动静干涉振动能量的方法。

背景技术

目前，对于水轮机稳定性能的确定，主要以振动幅值和振速进行评估，但这种方法具有一定的局限性。振动幅值和振动速度只能反映由于系统的动态特性造成的不同激振力频率对系统的影响，而振动能量能够全面反映不同大小激振力频率对系统的综合影响，更加全而客观。

对于水轮机动静干涉振动而言，其振动幅值和振速无法准确描述其振动能量的大小，因此在测得动静干涉振动时，需要以功率谱密度统计或能量谱密度统计方法，对水轮机过流部件或固定部件的振动能量进行分析，这是由于水轮机动静干涉振动振动能量的产生，其具有一定的复杂性，为水力和机械、电磁共同作用的结果，使用能量来描述结构振动有很多优点，可以直观得到能量传输途径，为减振降噪提供指导。尤其在设计和试验阶段，准确识别水轮机活动导叶动静干涉振动频率能量的大小，对于判断动静干涉振动的危害性是有重要意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种确定水轮机动静干涉振动能量的方法，以解决水轮机动静干涉振动能量的问题。本发明技术方案为：

1)在水轮机的引水管，顶盖+X，-X，+Y，-Y四个方向，蜗壳+X，-X，+Y，-Y四个方向，锥管、肘管内侧、外侧，尾水管上布置加速度振动传感器，拾取振动信号将测得的振动信号转化成0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机各个部位的振动的主要频率；

2)在蜗壳进口、导叶与转轮间+X、导叶与转轮间+Y、底环与转轮间+X，顶盖与转轮间+X，固定导叶与活动导叶间，肘管、锥管0.4D上游侧和锥管0.4D下游侧布置差压变送器，拾取压力脉动信号将测得的压力脉动信号转化为0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机各个部位的压力脉动的主要频率；

3)对水轮机测得的振动频率和压力脉动频率进行对比分析，确定测得的振动频率和压力脉动频率是否相一致，当一致时，得到水轮机的测试动静干涉振动频率；

4)对引水管，顶盖+X，-X，+Y，-Y四个方向，蜗壳+X，-X，+Y，-Y四个方向，锥管、肘管内侧、外侧，尾水管部位测得的水轮机的动静干涉振动频率进行能量谱密度分析，对各部位能量谱密度在各个工况进行统计，得到能量值；

5)对蜗壳进口、导叶与转轮间+X、导叶与转轮间+Y、底环与转轮间+X，顶盖与转轮间+X，固定导叶与活动导叶间，肘管、锥管0.4D上游侧和锥管0.4D下游侧部位测得的水轮机的动静干涉的压力脉动频率进行能量谱密度分析，对各部位能量谱密度在各个工况进行统计，得到能量值；

6)从上游侧到下游侧，对水轮机测得的振动能量和压力脉动能量进行对比分析，确定测得的振动能量和压力脉动能量在各个部件的统计分布规律一致性，当一致时，得到水轮机各部位的动静干涉振动能量。

本发明要解决的主要问题有：

1、对水轮机的振动和压力脉动试验测试，准确得到水轮机的动静干涉频率的振动和压力脉动能量谱分析与统计数据；

2、振动能量和压力脉动能量在水轮机上游侧到下游侧的各个部件统计规律一致时，识别得到水轮机的动静干涉频率的振动能量。

工作原理

对于水轮机动静干涉振动而言，其振动幅值和振速无法准确描述其振动能量的大小，因此在测得动静干涉振动时，需要以功率谱密度统计或能量谱密度统计方法，对水轮机过流部件或固定部件的振动能量进行分析，以便准确评估动静干涉振动对于水轮机安全的危害性。

能量谱密度表述的是信号或者时间序列的能量变化或者变化随着频率分布情况，无论f(t)是一个有限能量连续或离散信号，信号的谱密度

均可以傅立叶变换幅值的平方来进行描述，其主要表达式为

其中F(w)是f_n的连续或离散时间傅立叶变换，F^*(w)是F(w)的共轭函数，w是角频率。对于离散的f_n如果所定义的数值个数是有限的，这个序列可以看作是周期性的，使用离散傅立叶变换得到离散频谱，或者用零值进行扩充从而可以作为无限序列的情况计算谱密度。

这里主要依据帕塞瓦尔定理，其主要是把信号的能量或功率的计算和频谱函数或频谱联系起来，即能量信号的总能量等于频域内各个频率分量单独贡献出来的能量的积分，而周期性功率信号的平均功率等于各个频率分量单独贡献出来的平均功率的和。

能量以E表示，功率以P表示，在频域内有：

式中w＝2πf，则称E(w)为能量谱密度函数，而称P(w)为功率谱密度函数，能量谱密度是单位频率的幅值平方和量纲，能量谱密度曲线下面的面积才是这个信号的总能量。能量谱是功率谱密度函数在相位上的卷积，也是幅值谱密度函数的平方在频率上的积分，功率谱是信号自相关函数的傅立叶变换，能量谱是信号本身傅立叶变换幅度的平方，一般地，若信号的总能量是有限的，用能量谱密度函数考察；若信号的总能量是无限的，但单位时间内的能量是有限的，比如周期信号，用功率谱密度函数考察。

通过对水轮机的振动和压力脉动试验测试，得到水轮机动静干涉振动频率，对得到的水轮机的动静干涉频率进行振动和压力脉动能量谱分析与统计，当振动能量和压力脉动能量在水轮机上游侧到下游侧的各个部件统计规律一致时，确定水轮机的动静干涉频率的振动能量。

附图说明

图1为水轮机动静干涉频率的振动试验测量系统框图

图2为水轮机动静干涉频率的压力脉动试验测量系统框图

图3为水轮机各部位在额定出力开口工况动静干涉频率的振动能量谱密度分析数据统计

图4为水轮机各部位在额定出力开口工况动静干涉频率的压力脉动能量谱密度分析数据统计

图5为实现本发明的操作流程

具体实施方式

1)如图1所示，在水轮机的引水管，顶盖+X，-X，+Y，-Y四个方向，蜗壳+X，-X，+Y，-Y四个方向，锥管、肘管内侧、外侧，尾水管上布置加速度振动传感器，拾取振动信号将测得的振动信号转化成0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机各个部位的振动的主要频率；

2)如图2所示，在蜗壳进口、导叶与转轮间+X、导叶与转轮间+Y、底环与转轮间+X，顶盖与转轮间+X，固定导叶与活动导叶间，肘管、锥管0.4D上游侧和锥管0.4D下游侧布置差压变送器，拾取压力脉动信号将测得的压力脉动信号转化为0～5V的电压信号，经过被数据采集器接受，测得动态时水轮机各个部位的压力脉动的主要频率；

3)对水轮机测得的振动频率和压力脉动频率进行对比分析，确定测得的振动频率和压力脉动频率是否相一致，当一致时，得到水轮机的测试动静干涉振动频率；

4)如图3所示，对引水管，顶盖+X，-X，+Y，-Y四个方向，蜗壳+X，-X，+Y，-Y四个方向，锥管、肘管内侧、外侧，尾水管部位测得的水轮机的动静干涉振动频率进行能量谱密度分析，对各部位能量谱密度在各个工况进行统计，得到能量值；

5)如图4所示，对蜗壳进口、导叶与转轮间+X、导叶与转轮间+Y、底环与转轮间+X，顶盖与转轮间+X，固定导叶与活动导叶间，肘管、锥管0.4D上游侧和锥管0.4D下游侧部位测得的水轮机的动静干涉的压力脉动频率进行能量谱密度分析，对各部位能量谱密度在各个工况进行统计，得到能量值；

6)从上游侧到下游侧，对水轮机测得的振动能量和压力脉动能量进行对比分析，确定测得的振动能量和压力脉动能量在各个部件的统计分布规律一致性，当一致时，得到水轮机各部位的动静干涉振动能量，如图5所示，为实现本发明的操作流程。