一种水轮机轴系湿模态的分析方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明涉及水轮机轴系动力特性分析领域，特别是涉及一种水轮机轴系湿模态的分析方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.水轮机是重要的水电设备，是水力发电行业必不可少的组成部分，由于其长期运行在非稳态过程，水轮机及其包含的轴系部件一直受到共振和疲劳问题的困扰。卧式灯泡贯流式水轮机，相较于其他水轮机，其转轮直径较大，为了避免此大型横轴结构因动应力过大而引起共振和疲劳损伤，进行轴系模态响应分析是至关重要的，模态响应分析是评价水轮机组抗振设计的关键指标。水轮机轴系的模态分析主要有干模态与湿模态两种，由于水轮机转轮通常浸没在水里，尤其卧式灯泡贯流式水轮机组，其转轮及一部分的轴均浸没在水中，转轮周围的附加水体质量对轴系的模态特性有很大影响，因此开展湿模态特性分析更具有现实意义。
3.目前对卧式灯泡贯流式水轮机轴系湿模态的计算主要包括以下两种思路：
4.(1)轴系上转轮模型采用圆盘模型简化。
5.(2)轴系整体简化为一维模型计算。
6.但是，上述方法存在以下的问题：
7.由于水轮机及其轴系为复杂结构，简化模型无法反映转轮间隙流体对模态的影响，同时也简化了边界条件，造成模态计算结果精度低，导致水轮机轴系湿模态振型及频率发生一定改变，不利于轴系振动特性的计算。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种水轮机轴系湿模态的分析方法、系统、设备及介质，以提高计算模态振型及固有频率的准确性。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.一种水轮机轴系湿模态的分析方法，所述方法应用于水轮机；所述水轮机包括：轴系、转轴、叶片、转轮以及轮毂；所述轴系包括径向轴承和推力轴承；所述径向轴承和推力轴承均与所述轮毂连接，且均设置在所述转轴上；所述转轮经所述转轴与所述轮毂连接；所述叶片均匀设置在所述轮毂内；
11.所述方法包括：
12.对所述水轮机进行三维建模，得到流固耦合三维实体模型；所述流固耦合三维实体模型为包含所述轴系和所述转轮的周围水体的数理模型；
13.对所述流固耦合三维实体模型进行网格划分，得到有限元模型；所述有限元模型，包括：叶顶间隙的模型和叶根间隙的模型；所述叶顶间隙包括所述叶片和所述转轮；所述叶根间隙包括所述叶片与所述轮毂；
14.确定所述有限元模型的求解函数；所述求解函数包括流固耦合函数和边界条件；
所述边界条件包括：流固耦合边界、轴承边界和压力吸收边界；
15.采用所述边界条件对所述流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；所述轴系参数包括：附加质量和附加刚度；
16.将设定的转速和设定的阶数，代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；所述模态参数包括：固有频率和模态振型。
17.可选地，所述流固耦合函数，具体包括：
[0018][0019]
其中，ms为结构质量矩阵；ks为结构刚度矩阵；mf为流体质量矩阵；kf为流体刚度矩阵；m
fs
为流体对固体的附加质量矩阵；k
fs
为流体对固体的附加刚度矩阵；cs为结构的阻尼矩阵；cf是流体阻尼矩阵；fs(t)为t时段的外部激励载荷向量；u为节点位移矢量；为速度矢量；
ü
为加速度矢量；p为流体水压向量；为流体水压向量一阶导数；为流体水压向量二阶导数。
[0020]
可选地，所述流固耦合边界，具体包括：
[0021]
τf·
nf＝τs·ns
[0022]df
＝ds；
[0023]
其中，τf为交界面上的流体应力张量；τs为交界面上的固体应力张量；df为交界面上的流体的位移；ds为交界面上的固体的位移；nf为交界面上的流体的单位法向量；ns为交界面上的固体的单位法向量。
[0024]
可选地，所述轴承边界的边界值为轴系的径向轴承与推力轴承的刚度系数。
[0025]
可选地，所述压力吸收边界包括水轮机的转轮与转轮室之间水体进出口；所述压力吸收边界的反射压力为零。
[0026]
一种水轮机轴系湿模态的分析系统，所述系统包括：
[0027]
模型建立模块，用于对水轮机进行三维建模，得到流固耦合有三维实体模型；所述流固耦合三维实体模型为包含轴系和转轮的周围水体的数理模型；
[0028]
划分模块，用于对所述流固耦合三维实体模型进行网格划分，得到有限元模型；所述有限元模型，包括：叶顶间隙的模型和叶根间隙的模型；所述叶顶间隙包括叶片和转轮；所述叶根间隙包括叶片与轮毂；
[0029]
确定模块，用于确定所述有限元模型的求解函数；所述求解函数包括流固耦合函数和边界条件；所述边界条件包括：流固耦合边界、轴承边界和压力吸收边界；
[0030]
求解模块，用于采用所述边界条件对所述流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；所述轴系参数包括：附加质量和附加刚度；
[0031]
处理模块，用于将设定的转速和设定的阶数，代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；所述模态参数包括：固有频率和模态振型。
[0032]
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述所述的水轮机轴系湿模态的分析方法。
[0033]
一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的水轮机轴系湿模态的分析方法。
[0034]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0035]
本发明提供了一种水轮机轴系湿模态的分析方法、系统、设备及介质，通过对水轮机进行三维建模，得到流固耦合三维实体模型，并进行网格划分，得到有限元模型；然后通过有限元模型的边界条件对流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；将设定的转速和设定的阶数代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；本发明通过三维建模以及网格划分的方式，实现模态参数的计算，避免了由于简化模型无法反映转轮间隙流体对模态的影响，以及简化了边界条件，造成模态计算结果精度低的问题的出现，因此，本发明能够提高计算模态振型及固有频率的准确性。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明实施例提供的水轮机轴系湿模态的分析方法的流程图；
[0038]
图2为本发明实施例提供的水轮机轴系湿模态的分析系统的结构图；
[0039]
图3为本发明实施例提供的流固耦合有限元模型的示意图；
[0040]
图4为本发明实施例提供的有限元模型的示意图；
[0041]
图5为本发明实施例提供的流固耦合边界示意图；
[0042]
图6为本发明实施例提供的转轮与转轮室之间水体进出口边界示意图；
[0043]
图7为本发明实施例提供的模态的频率随转速变化的示意图；
[0044]
图8为本发明实施例提供的第一阶模态对应的轴系参数的示意图；
[0045]
图9为本发明实施例提供的第二阶模态对应的轴系参数的示意图；
[0046]
图10为本发明实施例提供的第三阶模态对应的轴系参数的示意图。
[0047]
符号说明：
[0048]
模型建立模块-1、划分模块-2、确定模块-3、求解模块-4、处理模块-5、灯泡体-6、发电机定子-7、发电机转子-8、径向轴承-9、推力轴承-10、转轴-11、转轮-12、叶顶间隙-13、叶根间隙-14、压力吸收边界-15。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
本发明的目的是提供一种水轮机轴系湿模态的分析方法、系统、设备及介质，以提高计算模态振型及频率的准确性。
[0051]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0052]
实施例1
[0053]
本发明实施例提供了一种水轮机轴系湿模态的分析方法，该方法应用于水轮机。
[0054]
首先对水轮机的结构进行介绍。
[0055]
参见图1，水轮机包括：轴系、转轴11、叶片、转轮12以及轮毂；轴系包括径向轴承9和推力轴承10；径向轴承9和推力轴承10均与轮毂连接，且均设置在转轴11上；转轮12经转轴11与轮毂连接；叶片均匀设置在轮毂内。水轮机还包括：灯泡体6、发电机定子7和发电机转子8。
[0056]
如图2所示，该方法包括：
[0057]
步骤100：对水轮机进行三维建模，得到流固耦合三维实体模型；流固耦合三维实体模型为包含轴系和转轮的周围水体的数理模型。
[0058]
图1为建立的卧式机组轴系的全三维模型，即用于轴系流固耦合分析的三维模型，该模型更加符合机组真实形态。
[0059]
步骤200：对流固耦合三维实体模型进行网格划分，得到有限元模型；有限元模型，包括：叶顶间隙的模型和叶根间隙的模型；叶顶间隙包括叶片和转轮；叶根间隙包括叶片与轮毂。
[0060]
本发明在转轮中重点考虑了叶片与转轮之间的叶顶间隙13、叶片与轮毂之间的叶根间隙14，细化了计算模型，提高了计算精度。其中，叶顶间隙13的模型和叶根间隙14的模型的示意图，见图4。
[0061]
步骤300：确定有限元模型的求解函数；求解函数包括流固耦合函数和边界条件；边界条件包括：流固耦合边界、轴承边界和压力吸收边界。
[0062]
具体地，流固耦合函数，具体包括：
[0063][0064]
其中，ms为结构质量矩阵；ks为结构刚度矩阵；mf为流体质量矩阵；kf为流体刚度矩阵；m
fs
为流体对固体的附加质量矩阵；k
fs
为流体对固体的附加刚度矩阵；cs为结构的阻尼矩阵；cf是流体阻尼矩阵；fs(t)为t时段的外部激励载荷向量；u为节点位移矢量；为速度矢量；为加速度矢量；p为流体水压向量；为流体水压向量一阶导数；为流体水压向量二阶导数。
[0065]
本发明对湿模态分析求解的边界条件进行了准确设定。
[0066]
图5为流固耦合边界示意图。流体和固体交界面上设置流固耦合边界，以保证交界面结构的位移必须与法线方向上的流体的位移相同。
[0067]
具体地，流固耦合边界，具体包括：
[0068][0069]
其中，τf为流体应力张量；τs为固体应力张量；df为交界面上的流体的位移；ds为交界面的固体的位移；nf为交界面上的流体的单位法向量；ns为交界面的固体的单位法向量。
[0070]
轴承边界的边界值为轴系的径向轴承9与推力轴承10的刚度系数。
[0071]
轴系的径向轴承9与推力轴承10边界条件等效为弹簧单元，弹簧的刚度系数由经
验公式或实测获得。
[0072]
图6为转轮与转轮室之间水体进出口边界示意图。压力吸收边界15包括水轮机的转轮与转轮室之间水体进出口；压力吸收边界15的反射压力为零。
[0073]
转轮与转轮室之间水体进出口边界设定为压力吸收边界，即压力在边界上无反射。
[0074]
发电机转子的等效磁拉力刚度系数由经验公式或实测获得。
[0075]
以上设置使整个分析方法更加符合实际，利于模态的精确计算。
[0076]
步骤400：采用边界条件对流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；轴系参数包括：附加质量和附加刚度。
[0077]
步骤500：将设定的转速和设定的阶数，代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；模态参数包括：固有频率和模态振型。
[0078]
在实际应用中，由于流体会对水轮机及其轴系产生压力，使得水轮机及其轴系会引起共振，进而会出现损伤。本发明通过准确的计算湿模态频率和湿模态振型，使得工作人员能够准确的提供一个与流体产生的压力相反的力，与水体压力进行抵消，使得水轮机及其轴系避免共振破坏，从而避免引起疲劳损伤。
[0079]
模态的频率随转速的变化而变化的示意图，详见图7。关于不同阶数下，对应的轴系参数的示意图见图8-图10。根据水轮机实际的运行情况确定所需要的转速范围，以及所需的阶数，在合适的间隔进行求解。通过准确分析轴系的固有的频率和固有的振型继而采取有效措施使系统避免共振破坏。即避免横轴结构因动应力过大而引起共振和疲劳损伤。
[0080]
实施例2
[0081]
如图3所示，本发明实施例提供了一种水轮机轴系湿模态的分析系统，该系统包括：模型建立模块1、划分模块2、确定模块3、求解模块4和处理模块5。
[0082]
模型建立模块1，用于根据水轮机进行三维建模，得到流固耦合三维实体模型；流固耦合三维实体模型为包含轴系和转轮的周围水体的数理模型。
[0083]
划分模块2，用于对流固耦合三维实体模型进行网格划分，得到有限元模型；有限元模型，包括：叶顶间隙13的模型和叶根间隙14的模型；叶顶间隙13包括叶片和转轮；叶根间隙14包括叶片与轮毂。
[0084]
确定模块3，用于确定有限元模型的求解函数；求解函数包括流固耦合函数和边界条件；边界条件包括：流固耦合边界、轴承边界和压力吸收边界。
[0085]
求解模块4，用于采用边界条件对流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；轴系参数包括：附加质量和附加刚度。
[0086]
处理模块5，用于将设定的转速和设定的阶数，代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；模态参数包括：固有频率和模态振型。
[0087]
实施例3
[0088]
本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例1中的水轮机轴系湿模态的分析方法。
[0089]
在一种实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实施例1中的水轮机轴系湿模态的分析方法。
[0090]
目前对卧式灯泡贯流式水轮机轴系湿模态的计算简化了计算模型，无法反映转轮间隙流体对模态的影响，同时也简化了边界条件，造成模态计算结果精度低。
[0091]
而本发明建立了三维模型，更加符合机组真实形态，并且在转轮中重点考虑了叶片与转轮室之间的叶顶间隙、叶片与轮毂之间的叶根间隙，从而细化了计算模型，提高了计算精度。
[0092]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0093]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种水轮机轴系湿模态的分析方法，其特征在于，所述方法应用于水轮机；所述水轮机包括：轴系、转轴、叶片、转轮以及轮毂；所述轴系包括径向轴承和推力轴承；所述径向轴承和推力轴承均与所述轮毂连接，且均设置在所述转轴上；所述转轮经所述转轴与所述轮毂连接；所述叶片均匀设置在所述轮毂内；所述方法包括：对所述水轮机进行三维建模，得到流固耦合三维实体模型；所述流固耦合三维实体模型为包含所述轴系和所述转轮的周围水体的数理模型；对所述流固耦合三维实体模型进行网格划分，得到有限元模型；所述有限元模型，包括：叶顶间隙的模型和叶根间隙的模型；所述叶顶间隙包括所述叶片和所述转轮；所述叶根间隙包括所述叶片与所述轮毂；确定所述有限元模型的求解函数；所述求解函数包括流固耦合函数和边界条件；所述边界条件包括：流固耦合边界、轴承边界和压力吸收边界；采用所述边界条件对所述流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；所述轴系参数包括：附加质量和附加刚度；将设定的转速和设定的阶数，代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；所述模态参数包括：固有频率和模态振型。2.根据权利要求1所述的水轮机轴系湿模态的分析方法，其特征在于，所述流固耦合函数，具体包括：其中，m
s
为结构质量矩阵；k
s
为结构刚度矩阵；m
f
为流体质量矩阵；k
f
为流体刚度矩阵；m
fs
为流体对固体的附加质量矩阵；k
fs
为流体对固体的附加刚度矩阵；c
s
为结构的阻尼矩阵；c
f
是流体阻尼矩阵；f
s
(t)为t时段的外部激励载荷向量；u为节点位移矢量；为速度矢量；为加速度矢量；p为流体水压向量；为流体水压向量一阶导数；为流体水压向量二阶导数。3.根据权利要求1所述的水轮机轴系湿模态的分析方法，其特征在于，所述流固耦合边界，具体包括：其中，τ
f
为交界面上的流体应力张量；τ
s
为交界面上的固体应力张量；d
f
为交界面上的流体的位移；d
s
为交界面上的固体的位移；n
f
为交界面上的流体的单位法向量；n
s
为交界面上的固体的单位法向量。4.根据权利要求1所述的水轮机轴系湿模态的分析方法，其特征在于，所述轴承边界的边界值为轴系的径向轴承与推力轴承的刚度系数。5.根据权利要求1所述的水轮机轴系湿模态的分析方法，其特征在于，所述压力吸收边界包括水轮机的转轮与转轮室之间水体进出口；所述压力吸收边界的反射压力为零。6.一种水轮机轴系湿模态的分析系统，其特征在于，所述系统包括：
模型建立模块，用于对水轮机进行三维建模，得到流固耦合三维实体模型；所述流固耦合三维实体模型为包含轴系和转轮的周围水体的数理模型；划分模块，用于对所述流固耦合三维实体模型进行网格划分，得到有限元模型；所述有限元模型，包括：叶顶间隙的模型和叶根间隙的模型；所述叶顶间隙包括叶片和转轮；所述叶根间隙包括叶片与轮毂；确定模块，用于确定所述有限元模型的求解函数；所述求解函数包括流固耦合函数和边界条件；所述边界条件包括：流固耦合边界、轴承边界和压力吸收边界；求解模块，用于采用所述边界条件对所述流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；所述轴系参数包括：附加质量和附加刚度；处理模块，用于将设定的转速和设定的阶数，代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；所述模态参数包括：固有频率和模态振型。7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行如权利要求1至5中任意一项所述的水轮机轴系湿模态的分析方法。8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任意一项所述的水轮机轴系湿模态的分析方法。

技术总结
本发明公开一种水轮机轴系湿模态的分析方法、系统、设备及介质，涉及水轮机轴系动力特性分析领域；该方法通过对水轮机进行三维建模，得到流固耦合三维实体模型；对流固耦合三维实体模型进行网格划分，得到有限元模型；确定有限元模型的求解函数；求解函数包括流固耦合函数和边界条件；采用边界条件对流固耦合函数进行求解，得到轴系参数的函数；轴系参数包括：附加质量和附加刚度；将设定的转速和设定的阶数，代入轴系参数的函数中进行求解，得到水轮机的模态参数；模态参数包括：固有频率和模态振型；本发明能够提高计算模态振型及固有频率的准确性。频率的准确性。频率的准确性。


技术研发人员：王正伟 曹景伟 田红 多文智 崔建华 赵国正 高海玉 陈林 王明明
受保护的技术使用者：甘肃省电力投资集团有限责任公司 甘肃电投炳灵水电开发有限责任公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/24