水輪發(fā)電機(jī)組活動導(dǎo)葉模態(tài)試驗研究

李崇仕，萬 元，李漢臻，侯 凱

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410014）

0 引言

活動導(dǎo)葉是水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的重要部件，當(dāng)水頭一定時，其開度的大小決定了機(jī)組負(fù)荷的高低。水電機(jī)組導(dǎo)葉故障頻發(fā)，典型的如大朝山、鳳灘水電廠機(jī)組此前均出現(xiàn)了貫穿性導(dǎo)葉裂紋現(xiàn)象，后采用現(xiàn)場模態(tài)測試方法確定了導(dǎo)葉的固有頻率與卡門渦激勵頻域趨近，并最終綜合分析判斷其裂紋是由于共振導(dǎo)致[1,2]。因此，對活動導(dǎo)葉的動力學(xué)特性研究有其現(xiàn)實的需求，特別是通過現(xiàn)場模態(tài)試驗得出其動力學(xué)參數(shù)對于故障診斷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞破壞性的研究均具有重要意義。

本文以貴州某水電站水輪機(jī)活動導(dǎo)葉為例，曾經(jīng)出現(xiàn)過活動導(dǎo)葉裂紋的現(xiàn)象，其尺寸為高2 205 mm，寬1 057 mm。通過現(xiàn)場模態(tài)試驗的方法識別出前五階模態(tài)參數(shù)，為水電機(jī)組故障診斷和活動導(dǎo)葉的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 模態(tài)分析原理

模態(tài)計算可分為理論模態(tài)和試驗?zāi)B(tài)。理論模態(tài)可基于有限元分析軟件，對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)計算得到動態(tài)特性指標(biāo)：頻率、振型、阻尼；現(xiàn)場試驗是利用智能數(shù)據(jù)采集和信號處理儀對結(jié)構(gòu)件的模態(tài)進(jìn)行實測，得出構(gòu)件的動態(tài)特性指標(biāo)[3]。模態(tài)分析基本原理，一個動態(tài)特性經(jīng)離散化處理后可由N階矩陣微分方程描述：

式中：f（t）為 N 維激振力向量分別為N維位移、速度和加速度相應(yīng)向量；M、K、C分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣，通常為實對稱N階矩陣。

對式（1）進(jìn)行特征值求解可得各個特征值與特征向量，特征值即固有頻率，特征向量即該階固有頻率對應(yīng)振形。

以{x}表示節(jié)點位移的列向量（為時間t的函數(shù))，則多自由度無阻尼振動系統(tǒng)的運動微分方程可以寫為：

式（2）中：[K]為剛度矩陣；[M]為質(zhì)量矩陣。

利用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行動力學(xué)分析，得到結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)可為水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。但有限元分析方法面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，特別是結(jié)構(gòu)的裝配連接方式和邊界簡化方式對分析的結(jié)構(gòu)有直接的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)理論模態(tài)計算不符合現(xiàn)場實際情況。此次主要從試驗?zāi)B(tài)角度進(jìn)行活動導(dǎo)葉動力學(xué)特性研究，利用模態(tài)測試設(shè)備對其進(jìn)行動力學(xué)分析，因活動導(dǎo)葉為矩形對稱結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測試、模態(tài)擬合后可能存在模態(tài)丟失的情況，因此必須采用多輸入多輸出的測試方法（MIMO）。MIMO方法的好處是可以使各測點能量分布均勻，避免單點激勵能量不夠?qū)е虏糠猪憫?yīng)點信噪比不佳，也可有效區(qū)別密集模態(tài)，降低參考點同時位于節(jié)點的可能性，提高試驗質(zhì)量。

表1 模態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)備詳表

2 模態(tài)測試技術(shù)

2.1 測試儀器

試驗采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制的INV3062V型24位智能信號采集儀、ICP沖擊力錘、INV9822型加速度傳感器，具體參數(shù)見表1，測試系統(tǒng)連接圖如圖1。

圖1 模態(tài)測試系統(tǒng)連接圖

2.2 模態(tài)方法

測試采用彈性力錘的橡膠頭進(jìn)行激勵，利用檢修進(jìn)行測試。裝配狀態(tài)下活動導(dǎo)葉測試須排水，使活動導(dǎo)葉測試為空氣介質(zhì)測試，稱為干模態(tài)測試。活動導(dǎo)葉測量采用固定傳感器移動敲擊力錘的方式進(jìn)行測試。測點布置：葉片豎直方向除上下兩端外共均勻布置35個測點。傳感器位置布置2個作為參考點；測點布置、傳感器位置及結(jié)構(gòu)建模如圖2所示。

測試分為預(yù)試驗和正式試驗兩種，各測點布置好傳感器，經(jīng)預(yù)試驗確定無誤后進(jìn)行正式試驗[4]。用DASP-V11軟件進(jìn)行零點校準(zhǔn)和采樣，按提示用力錘在測點1敲擊3次，采集第一組數(shù)據(jù)后停止采樣，檢查數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，無誤后敲擊其余測點，分析活動導(dǎo)葉激勵、響應(yīng)信號時域波形圖、傳遞函數(shù)（頻響函數(shù)），確認(rèn)各數(shù)據(jù)采集有效可靠。

圖2 水輪機(jī)活動導(dǎo)葉示意圖

力錘的激勵信號如圖3所示，若有連擊信號須重新采集；加速度采集的響應(yīng)信號如圖4所示，應(yīng)無干擾且零點沒有漂移，衰減信號完整；頻響函數(shù)分析如圖5所示，顯示幅頻曲線、相頻曲線和相干曲線，在頻率分析范圍內(nèi)主要頻率位置相干接近于1，表示響應(yīng)信號來源于激勵信號，無其他干擾信號，所測數(shù)據(jù)可靠。

圖4 加速度響應(yīng)傳感器信號

圖5 活動導(dǎo)葉頻響函數(shù)圖

3 模態(tài)參數(shù)識別

采用特征實現(xiàn)ERA算法進(jìn)行MIMO模態(tài)擬合，活動導(dǎo)葉模態(tài)擬合穩(wěn)態(tài)圖如圖6所示。

圖6 活動導(dǎo)葉模態(tài)擬合圖

通過模態(tài)測試得到其各階模態(tài)參數(shù)——頻率、阻尼和振型，其頻率統(tǒng)計如表2所示，其振型如圖7所示。

表2 活動導(dǎo)葉模態(tài)測試結(jié)果

圖7 活動導(dǎo)葉前五階模態(tài)振型圖

4 活動導(dǎo)葉濕模態(tài)分析

活動導(dǎo)葉模態(tài)測試應(yīng)在無水條件下完成，活動導(dǎo)葉實際工況為有水，因此須考慮由于水附加的質(zhì)量效應(yīng)帶來的固有頻率衰減比系數(shù)。空氣介質(zhì)測得固有頻率需衰減20%～30%才是水中固有頻率值[4，5]。依據(jù)經(jīng)驗系數(shù)計算出水中固有頻率如表3所示。

表3 活動導(dǎo)葉水中模態(tài)分析結(jié)果

5 結(jié)語

對于水輪機(jī)活動導(dǎo)葉，利用MIMO方式進(jìn)行了模態(tài)測試與分析得到頻響函數(shù)，通過擬合得到5階模態(tài)參數(shù)，包括：固有頻率、振型、阻尼系數(shù)?？蔀樗啺l(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報，以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù),以上研究結(jié)果為水輪機(jī)故障診斷和活動導(dǎo)葉動力學(xué)特性研究提供了參考。