混流式水轮机承重支架疲劳寿命测试分析方法

摘要

本发明公开一种混流式水轮机承重支架疲劳寿命测试分析方法，其特征是根据混流式水轮机机组结构形式确定主要承重支架，测量承重支架表面处应变，停机状态下，顶起机组转动部分，获取机架受机组转动部件重力时的应变值，求得机架实际受力情况，对启动、带负荷、甩负荷及停机过程进行应变测量，然后进行承重支架受力计算，利用循环计数法将每一种工况的载荷‑时间历程进行计数，同时统计各种工况运行时间，获得支架材料S‑N曲线，根据工况、载荷谱及S‑N曲线，按照线性累积损伤计算支架疲劳寿命。快速、准确地测得支架实际受力值，真实有效地对承重支架进行疲劳寿命评估，提高了承重支架疲劳寿命分析的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及水轮发电设备技术，尤其涉及一种混流式水轮机承重支架疲劳寿命测试分析方法。

背景技术

在水力发电机组中，机组承重支架承受着机组所有转动部分质量及轴向水推力等，机组转动部分的质量通常在500吨以上，轴向水推力也可高达上千吨，机组设计寿命要求在30年以上，如此大的载荷长时间作用于承重支架上，而且部分为循环载荷，对支架的疲劳寿命提出了较高的要求。目前，国际知名的水电机组设计制造商阿尔斯通、东芝水电、福伊特水电等均采用数值分析法进行理论计算分析机组支架寿命，而理论计算存在大量的简化及与实际不符的特征，很难准确计算机组支架的疲劳寿命。

公开技术中对疲劳寿命损耗评估有多种方法，如专利公开号为CN104236915A，一种用于发电机组轴系-叶片扭振疲劳寿命损耗评估方法及系统，可对汽轮发电机组的安全性进行评价，根据发电机组轴系-叶片实际结构，建立了机组轴系-叶片耦合振动模型；通过监测发电机三相电流、电压和转速，计算发电机电磁力矩和汽轮机蒸汽力矩；并对振动响应、模型各质量块之间的相对位移、轴系危险截面扭应力响应和叶片危险点应力响应进行了计算；最后根据转子材料的扭转S-N曲线和叶片材料的S-N曲线，计算转子和叶片危险点的疲劳寿命损耗。又如专利公开号为CN103605329A设计的一种火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，步骤是读取火力发电机组在线测点数据；计算重要部件的热应力；计算重要部件的机械应力；计算重要部件的复合应力；计算重要部件的等效应力；确定三个复合应力的最大应力；确定三个复合应力的最小应力；计算重要部件的实数域等效应力；划分具有相同正负号的应力时段；确定σij≥0时段的峰值应力等。

目前这些对常规火力发电机组部件疲劳寿命分析的专利及论文较多，而对水力发电机组重要部件疲劳寿命分析的方法则十分鲜见。随着大气及环境污染的日益严重，水力发电这种清洁能源逐渐被国家所重视，水力机组的发电时间在逐年增加，对承重支架进行疲劳寿命分析也成为必要的工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决水力发电机组重要支撑部件疲劳寿命分析的问题，提供一种与实际相符、真实有效的混流式水轮机承重支架疲劳寿命测试分析方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种混流式水轮机承重支架疲劳寿命测试分析方法，其特征包括：

1)根据混流式水轮机机组结构形式确定主要承重支架。

2)测量承重支架表面处的应变。

3)根据水轮机推力轴承位置及承重支架结构，布置测点，保证测点处得到较大应变。

4)停机状态下，顶起机组转动部分，获取机架受机组转动部件重力时的应变值，该值在排除转轮浸没在尾水中产生的浮力和活塞效应后，求得机架实际受力情况。

5)对启动、带负荷、甩负荷及停机过程进行应变测量，然后进行承重支架受力计算。

6)利用循环计数法将每一种工况的载荷-时间历程进行计数，同时统计各种工况运行时间，获得支架材料S-N曲线。

7)根据工况、载荷谱及S-N曲线，按照线性累积损伤计算支架疲劳寿命。

作为优选，所述的主要承重支架确定方式是：伞式机组为下机架，悬式机组为上机架。

作为优选，所述的测量承重支架表面处的应变所采用的方法有：应变片电测法、光纤光栅检测法。电测法具有测量灵敏度和精度高、测量范围广，频率响应好等优点，便于与计算机联结进行数据采集与处理，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。光纤光栅检测法具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、化学性能稳定、传输容量大、测量值空间分辨率高等优点。

作为优选，根据水轮机推力轴承位置及承重支架结构，布置测点时，在每条承重支架腿上或间隔支架腿腹板上布置测点，测点布置在与推力轴承相同的平面上，且同一位置最少布置2个测点。

作为优选，所述的停机状态下，采用高压油泵或风闸顶起机组转动部分，使得机组转动部分离开承重机架。

作为优选，所述的转轮浸没在尾水中产生的活塞效应按照轴封与下游水位产生的压力差计算。

作为优选，所述的带负荷过程进行应变测量时，根据机组实际情况，负荷在50～100％P_机组，测试过程必须包含机组额定负荷；甩负荷是甩100％P_机组。

作为优选，所述的利用雨流计数法进行载荷-时间历程计数。雨流计数法对载荷的时间历程进行计数的过程反映了材料的记忆特性，具有明确的力学概念，其突出特点是根据所研究材料的应力-应变之间的非线性关系来进行计数，亦即把样本记录用雨流法定出一系列闭合的应力-应变滞后环。

作为优选，所述的支架材料S-N曲线置信度在90％以上。

作为优选，所述的利用经典Miner法则，按照线性累积损伤计算支架疲劳寿命。Miner法则可以认为是线性损伤、线性累积循环比理论,其大量的实验结果(特别是随机谱试验)显示临界疲劳损伤DCR的均值确实接近于1。

本发明的有益效果是：合理选择主要承重支架并布置测点，通过不同时间点位、不同负荷过程进行应变测量，能够快速、准确地测得混流式水轮机组承重支架实际受力值，更加真实有效地对承重支架进行疲劳寿命评估，提高了承重支架疲劳寿命分析的准确度。

附图说明

图1是本发明的一种流程框图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

参见图1，本实施例一种混流式水轮机承重支架疲劳寿命测试分析方法，包括以下步骤：

一、根据混流式水轮机机组结构形式确定主要承重支架，伞式机组选下机架，悬式机组则为上机架，布置测点时，根据水轮机推力轴承位置及承重支架结构，布置测点，以保证测点处得到较大应变；在每条承重支架腿上或间隔支架腿腹板上布置测点，测点布置在与推力轴承相同的平面上，且同一位置最少布置2个测点，采用应变片电测法，粘贴电阻应变片到相关测点。

二、测量承重支架表面处的应变。停机状态下，采用高压油泵或风闸顶起机组转动部分，使机组转动部分离开承重支架，得到机架受机组转动部件重力时的应变值，记录各应变片应变ε₁^*……ε_n^*，计算平均应变

三、应变值在排除转轮浸没在尾水中产生的浮力和活塞效应后，求得机架实际受力情况。(1)计算转轮受到的浮力：F_R＝mgv，其中m为转轮质量；v为转轮体积。(2)计算由于转轮浸没在尾水中产生的活塞效应力，Fp＝ρ_水g(H₁-H₂)πr²，H₁为下游水位，H₂为轴封高度，r为轴封半径。即转轮浸没在尾水中产生的活塞效按照轴封与下游水位产生的压力差计算所得。(3)计算停机状态下的机架受力：F*＝Mg-(F_R+F_P)，M为机组转动部分质量。

四、测试启动、带负荷、停机、甩负荷下的支架应变ε，利用雨流计数法进行载荷-时间历程计数，即统计第i级载荷的循环次数n_i^*，结合一个月工况统计，计算第i级载荷的循环次数n_i。其中，带负荷过程进行应变测量时，根据机组实际情况，负荷在50～100％P_机组，(P为机组额定功率)，测试过程必须包含机组额定负荷；甩负荷是甩100％P_机组。

五、利用循环计数法将每一种工况的载荷-时间历程进行计数，同时统计各种工况运行时间，计算各工况下机架受力：F＝F*(ε/ε^*)，根据支架材料，选择置信度90％以上的S-N曲线，计算载荷F_i下的N_i。

六、根据工况、载荷谱及S-N曲线，按照线性累积损伤计算支架疲劳寿命。利用Miner法则计算损伤则机架疲劳寿命N可表示为：N＝1/D，即一个循环造成的损伤。

另外，测量承重支架表面处的应变所采用的方法还有光纤光栅检测法。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。