CN108590918A - 一种机载测动应力的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机载测动应力装置和方法，其特征在于：1)对转轮叶片进行固有频率测试，得到转轮叶片的固有频率；2)确定进行转轮叶片应力测试的机载测动应力装置，并将其安装到转轮叶片上的预定测点位置；3)确定进行机组稳定性测试的试验工况点和测点位置，将位移传感器、加速度传感器安装到待检测机组的预定测点位置；4)同时进行转轮叶片应力和机组稳定性测试，测试过程中同步采集数据；5)对得到的旋转叶片的应力测试数据以及机组稳定性测试数据进行分析处理，得到机组稳定性与旋转叶片的应力测试对应关系，并以转轮叶片的固有频率测试结果为参考，对转轮叶片的应力进行分析。本发明可以广泛应用于水轮机的开发和安全稳定运行中。
Description
技术领域
本发明涉及现场测试技术领域，特别是关于一种机载测动应力的装置和方法。
背景技术
随着水力机组尺寸和容量的不断增大，由水轮机水力稳定性引起的机组稳定性和转轮裂纹问题也愈来愈突出。转轮裂纹是水电机组安全稳定运行的重大问题，是关系到水电机组是否能正常运行的核心，已经引起行业界的普遍关注，也是水利水电建设中亟待解决的关键课题。
国内外已建电站中有许多机组都曾发生过转轮裂纹问题，如国外的大古力(700MW机组)、塔贝拉、萨阳，国内的岩滩、二滩、五强溪、隔河岩、小浪底、大朝山、李家峡、天生桥一级、东江、潘家口电站等，有的电站在经过72小时试运行后检查就发现了叶片裂纹，如大朝山、小浪底、棉花滩电站等，有的电站转轮叶片出现重复性裂纹，如岩滩电站，每年都需要花费大量的时间和人力物力对其进行补焊修复，有的电站在运行过程中产生叶片断裂掉落，机组被迫停机，如陆水轴流式水轮机叶片断裂掉落，红林电站2号机17个叶片中完全断落4个叶片，严重断落2个叶片。
叶片振动问题可简单归结为两个方面：一是诱发叶片振动的激振力，另一是叶片的动力特性及其对振动的响应，因此，研究叶片振动裂纹问题也就必须首先解决这两个问题。但是，由于诱发叶片振动的激振力的激振源很多，既有共性的激振源，如导叶和叶片后的卡门涡列、偏离最优工况时产生的尾水管涡带、叶片进口脱流及野道涡、蜗壳和导叶后的不均匀流以及机械旋转不对称力等；也有个性激振源，如转轮进口水流撞击、叶片脱流以及其它机械、电气和水力方面的未知偶然因素等，导致水力机组的动力特性及其振动特性也各不一样且极为复杂。
随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，各种行之有效的数值计算方法得到了巨大的发展，特别是近几年来，许多大型通用和专用有限元分析(FEA)软件如ANSYS 等商业性大型结构分析软件的问世和发展，为计算工程科学领域提供了快速和方便的计算分析手段，但由于水轮机转轮部件的形状和荷载十分复杂，造成计算结果与实测结果有一定的差异，特别是在水轮机偏离最优运行区如空载和部分负荷运行工况时差异更加明显。另外，目前的计算手段还无法准确计算动态应力，特别是在机组运行过程中发生的各类水力共振等现象。
引起转轮叶片振动产生裂纹的原因是多方面的，它既受机组设计、制造、安装及维护质量的影响，也与机组运行工况、进出水轮机的水流条件等有关。对某一水轮机而言，叶片振动的原因，可能是多种振源综合作用的结果，但哪些振源起主导作用，需要通过现场测试分析，才能搞清楚。
研究水轮机转轮部件的应力测试是一个非常复杂的课题，研究它首先要解决水轮机转轮应力的测试技术，虽然国内外早在二十世纪六十年代就已经开始进行，但限于当时的软、硬件技术，进展较为缓慢，这主要是因为水力机组运行时转轮部件处于旋转状态，试验时应变片输出信号从旋转部件向固定的测试仪器的传送的引电器大多采用接触式刷环、拉线式集流环等，90年代初期，在一些实测中开始采用非接触式电容或电感发射机、电磁波发射机等传送装置，由于这些传送装置的噪声，限制了整个测量系统的测量精度，影响了试验数据的可靠性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种机载测动应力的装置和方法，通过将应变信号采集仪安装于旋转部件上(如主轴轴顶或转轮泄水锥中)，应变片输出信号通过信号线直接与应变信号采集仪连接。在数据采样过程中，应变片输出信号可通过数字无线电台传输至计算机中进行信号实时显示和存储，解决了原测试方法测量工作繁杂、工程量大、精度低的难题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种机载测动应力装置，其特征在于：其包括若干应变片、应变采集仪、数字无线电台、可移动存储卡、蓄电池以及两计时器；各所述应变片分别粘贴在机组转轮叶片上的测点位置处，对所述转轮叶片测点位置处的应变信号进行采集，并通过信号线传输到所述应变采集仪；所述应变采集仪通过导线分别与所述数字无线电台、蓄电池以及两计时器相连；所述数字无线电台用于将所述应变采集仪接收到的应变信号无线发送到计算机终端进行实时显示；所述蓄电池用于为所述应变采集仪提供电源；两所述计时器分别用于控制所述应变采集仪的供电和数据采集；所述可移动存储卡装载在应变采集仪内部，用于对各所述应变片采集的应变信号进行存储。
所述应变采集仪、数字无线电台、蓄电池及两计时器密封安装在待检测机组的旋转部件上。
一种机载测动应力的方法，其特征在于包括以下步骤：1)采用脉冲激励法对转轮叶片进行固有频率测试，得到转轮叶片的固有频率；2)确定进行转轮叶片应力测试的机载测动应力装置，并将其安装到转轮叶片上的预定位置；3)确定进行机组稳定性测试的试验工况点和测点位置，将位移传感器、加速度传感器安装到待检测机组的预定测点位置；4)同时进行转轮叶片应力和机组稳定性测试，测试过程中同步采集数据； 5)对得到的旋转叶片的应力测试数据以及机组稳定性测试数据进行分析处理，得到机组稳定性与旋转叶片的应力测试对应关系，并以转轮叶片的固有频率测试结果为参考，对转轮叶片的应力进行分析。
所述步骤1)中，所述转轮叶片固有频率的测试方法，包括以下步骤：1.1)确定转轮叶片的锤击位置，并对转轮叶片的各锤击位置进行多次锤击触发；1.2)每次锤击触发过程中，采用变时基信号采集方法对力脉冲信号和转轮叶片的响应信号进行采集； 1.3)对采集的力脉冲信号和响应信号进行传递函数和相干函数分析，得到转轮叶片的各阶固有频率。
所述传递函数的计算公式为：
所述相干函数rxy(f)的计算公式为：
式中：Sy(f)为输出信号的傅立叶变换，Sx(f)为输入信号的傅立叶变换；Pxy(f)为输出与输入信号的互功率谱；Pxx(f)为输入信号的自功率谱；Pyy(f)为输出信号的自功率谱。
所述步骤2)中，转轮叶片应力测试的准备工作包括以下步骤：2.1)确定进行转轮叶片应力应变测试的机载应变信号测试装置，包括应变采集仪、数字无线电台、可移动存储卡、大容量蓄电池以及计时器；2.2)根据有限元应力计算分析结果或历史实测结果数据，确定转轮叶片的应力测点位置；2.3)在确定的每一应力测点位置上沿不同方向分别粘贴电阻应变片，形成应变花；2.4)将应变花中的各应变片通过信号线直接与应变采集仪相连，应变信号采集仪与数字无线电台、计时控制器以及蓄电池相连后，密封安装于机组旋转部件上。
所述步骤5)中，对转轮应力的分析方法，包括以下步骤：
5.1)根据测量得到的应变值，计算得到转轮叶片的平均应力和动态应力；
5.2)采用基于总体经验模态分解和排列熵的水电机组摆度信号去噪方法，对机组稳定性试验中的摆度信号进行去噪处理，得到对应机组工况下的稳定性数据；
5.3)根据得到的叶片的平均应力和动态应力以及对应机组工况下的稳定性数据，绘制水轮机转轮叶片平均应力、动应力与水轮机处理关系曲线图，并以固有频率测试结果为参考，对转轮叶片的应力进行分析。
所述转轮叶片的平均应力和动态应力的计算公式为：
σ＝E·ε，
式中：σ为计算得出的应力值，单位为Mpa；ε为试验测得的应变值，单位为μm/m； E为材料的弹性模量，且E＝2.1×105MPa。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明机载测动应力装置中应变采集仪安装于机组旋转部件上，各应变片通过信号线直接与应变采集仪连接，测试过程中，采集的数据直接存储于可移动存储卡中，避免了引电器带来的信号噪声，提高了测试的精度。2、本发明在数据采样过程中，应变片采集的应变信号通过数字无线电台传输至计算机终端中进行信号实时显示，避免了测试过程中的盲目性。3、本发明由于转轮叶片应力和机组稳定性测试同时进行，并同步采集，使得研究转轮叶片应力与水轮机内部流动规律之间的内在联系时更加符合实际情况，提高了分析结果的准确性。试验工况点应包括稳定负荷工况和过渡过程工况。4、本发明在水轮机固有频率的测试时，采用变时基信号采集方法对力脉冲信号和响应信号进行采集，解决了频率分辨率和时域波形精度这一对矛盾，在提高力脉冲的时域波形精度的同时，保证了响应信号的频率分辨率。5、本发明采用基于总体经验模态分解和排列熵的水电机组摆度信号去噪方法对机组稳定性试验中的摆度信号进行去噪，有效提高了去噪性能，同时具有很好的自适应性。因此，本发明可以广泛应用于水轮机的开发和安全稳定运行领域。
附图说明
图1是本发明机载测动应力装置结构示意图；
图2(a)和图2 (b)是本发明实施例一中应变片布置示意图；
图3是本发明实施例一中水轮机转轮动应力和机组稳定性试验工况点；
图4是本发明实施例一中力脉冲信号和响应信号波形图；
图5是本发明实施例一中传递函数和相干函数分析图；
图6是某水电站1号机开机过程叶片应变幅值时域波形图；
图7是水轮机转轮叶片静应力(平均应力)与水轮机出力关系曲线；
图8是水轮机转轮叶片动应力与水轮机出力关系曲线；
图9是水轮机转轮叶片动应力脉动主频/转频与水轮机出力关系曲线；
图10是水轮机转轮叶片动应变时域、频域瀑布图(SG1)；
图11是水轮机转轮叶片动应变时域、频域瀑布图(SG4)；
图12是传感器布置和锤击位置示意图；
图13是2F转轮应力试验工况点；
图14(a)和图14(b)分别是传递函数和相干函数分析图(位移传感器测量结果)；
图15(a)和图15(b)分别是传递函数和相干函数分析图(加速度传感器测量结果)；
图16是SG1～SG8平均应变值与机组有功功率关系曲线；
图17是SG1～SG8测点动应力混频幅值与机组有功功率关系曲线；
图18是SG1～SG8测点动应力主频/转频与机组有功功率关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种机载测动应力装置，其包括若干应变片、应变采集仪、数字无线电台、可移动存储卡、蓄电池以及两计时器。其中，各应变片分别粘贴在转轮叶片上的测点位置处，对转轮叶片测点位置处的应变信号进行采集，并通过信号线传输到应变采集仪；应变采集仪分别通过导线与数字无线电台、蓄电池以及两计时器相连，数字无线电台用于将应变采集仪接收到的应变信号通过无线发送到计算机终端进行实时显示，蓄电池用于为应变采集仪和两计时器提供电源，两计时器分别用于控制应变采集仪的供电和数据采集，可移动存储卡装载在应变采集仪内部，用于对应变采集仪采集的应变信号进行存储。其中，应变采集仪、数字无线电台、蓄电池及两计时器密封安装在机组旋转部件上。
本发明提供的一种机载测动应力的方法，包括以下步骤：
1)采用脉冲激励法对转轮叶片进行固有频率测试，得到转轮叶片的固有频率。
对转轮叶片进行固有频率测试，得到其固有频率的方法，包括以下步骤：
1.1)确定转轮叶片的锤击位置，并对转轮叶片的各锤击位置进行多次锤击触发。
1.2)每次锤击触发过程中，采用变时基信号采集方法对力脉冲信号和转轮叶片的响应信号进行采集。
由于力脉冲信号作用的时间较短，在进行转轮叶片固有频率测试中，其力脉冲信号作用时间选择2～3ms较为适合，因此在数据采样时要求足够的采样速率以提高其波形精度，一般至少要求2000～3000Hz的采样速率，保证力脉冲信号波形能采集到4 个点。另一方面，为了确保频率分辨率，要求对响应信号的采样速率不能太高。因此，这两方面就存在频率分辨率和时域波形精度这一对矛盾。
本发明采用变时基信号采集方法对力脉冲信号和响应信号进行采集，也即采用两种不同的采样速率对力脉冲信号x(t)和响应信号y(t)进行数据采集和分析，用相对较高的采样速率f1对力脉冲信号x(t)进行数据采集，同时用相对较低的采样速率f2对响应信号y(t)进行数据采集，以提高力脉冲的时域波形精度同时保证了响应信号的频率分辨率。即：
式中，f1＝mf2，m为变时倍数，且为整数，如2、3、4等；△t1和△t2分别表示力脉冲的采样时间间隔和响应信号的采样时间间隔。△t1比较小，力脉冲信号能够采集到更多的数据点，保证了在不减低响应信号的频率分辨率的前提下提高了力脉冲信号的准确性。
1.3)对采集的力脉冲信号和响应信号进行传递函数和相干函数分析，得到转轮叶片的各阶固有频率。
固有频率测试的数据分析主要包括两部分：一是传递函数分析，用于确定振动系统的固有频率；二是相干函数分析，用于判断传递函数分析得到的固有频率的可靠程度。
传递函数分析是对一个振动系统，通过其输入信号(激发信号)和输出信号(响应信号)进行系统的频率响应分析，反映了系统对信号的传递特性(幅频特性和相频特性)。若系统的输入信号和输出信号分别为x(t)和y(t)，则传递函数Hxy(f)定义为输出信号的傅立叶变换Sy(f)与输入信号的傅立叶变换Sx(f)之比。也可以利用输出与输入信号的互功率谱Pxy(f)与输入信号的自功率谱Pxx(f)之比得到传递函数，即：
相干函数rxy(f)的计算公式为：
式中：Pxy(f)为输出与输入信号的互功率谱；Pxx(f)为输入信号的自功率谱；Pyy(f)为输出信号的自功率谱。相干函数总是小于1，说明振动系统中总存在外来的噪声或其它不相关的输入。
2)进行转轮叶片应变测试准备工作：确定进行转轮叶片应力应变测试的机载应变信号测试装置，并将其安装到转轮叶片上。
将确定的机载应变信号测试装置安装到转轮叶片上的方法，包括以下步骤：
2.1)确定进行转轮叶片应力应变测试的机载应变信号测试装置。
本发明中所采用的机载应变信号测试装置的主要硬件设备包括：
①应变采集仪
美国C-DAQ应变采集仪，其包括CF存贮控制模块、电源控制模块、多功能应变采集器及信号调理模块，最高采样速率30kS/s，内置可编程滤波器、桥路、低电压增益等，可进行1/4桥、半桥和全桥的应变测量。测试系统能够脱离PC机独立运行，并且具有结构紧凑体积小、性能稳定、密封防尘、连接牢固、抗振抗干扰等特点，可安装于旋转部件上(如主轴轴顶或转轮泄水锥中)，应变片输出信号通过信号线直接与应变信号采集仪连接。测试过程中，采集的数据可直接存贮于8G容量的可移动CF存贮卡中，避免了引电器带来的信号噪声，提高了测试的精度。
②数字无线电台
本发明采用小型数字无线电台，测试过程中通过数字无线电台可将应变信号传送至PC机进行实时显示，避免了测试过程中的盲目性。
③可移动存储卡
大容量(8G)可移动CF存贮卡用于采集信号的记录存贮，方便了大容量测试数据的快速读取，可满足每通道采样速率2kS/s和所有通道同时记录的条件下，连续记录时间达到32小时，完全满足工程测试要求。
④大容量蓄电池
本发明采用的大容量蓄电池为16Ah蓄电池，一次充电可以满足应变采集仪连续正常工作达12小时。
⑤计时器
本发明采用日本OMRON H3A和H5CX两个计时器控制应变采集仪的供电和数据采集。
2.2)根据有限元应力计算分析结果或历史实测结果数据，确定转轮叶片的应力测点位置。
通常根据有限元应力计算分析结果选定最大应力可能出现的部位或裂纹产生部位布置应力测点，如理论分析困难，也可以根据实测经验中主应力一般可能出现的部位来布点，从近几年的实测结果来看，最大应力可能出现的部位大多在叶片出水边靠近上冠处，也是转轮叶片快速出现裂纹的部位。
2.3)在确定的每一应力测点位置上沿不同方向分别粘贴电阻应变片，形成应变花。
2.4)将应变花中的各应变片通过信号线直接与应变采集仪相连，应变采集仪通过导线与数字无线电台、两计时器以及蓄电池相连后，密封安装于旋转部件上(如主轴轴顶或转轮泄水锥中)。
3)确定进行机组稳定性测试的准备工作，包括测点布置、位移传感器和加速度传感器的选择和安装等，同时设定机组稳定性测试的实验项目和试验工况点。其中，试验工况点应包括稳定负荷工况和过渡过程工况。机组稳定性测试属于现有技术，本发明在此不在赘述。
4)待转轮叶片的应力测试和机组稳定性测试的准备工作完成后，开始机载测动应力试验，即转轮叶片应力和机组稳定性测试同时进行，并同步采集数据。
5)根据得到的旋转叶片的固有频率测试数据和应力测试数据以及机组稳定性测试数据进行分析处理，得到机组稳定性与旋转叶片的应力测试对应关系，并以固有频率测试结果为参考，对转轮叶片的应力进行分析，为机组合理划分安全稳定运行区域提供建议。
5.1)根据测量得到的应变值，计算得到叶片的平均应力和动态应力。
对于转轮叶片应力测试采用电阻应变测量法，通过测量叶片应变值，经计算得到叶片的平均应力和动态应力，计算公式为：
σ＝E·ε
式中：σ为计算得出的应力值，单位为Mpa；ε为试验测得的应变值，单位为μm/m； E为材料的弹性模量，且E＝2.1×105MPa。
5.2)采用基于总体经验模态分解和排列熵的水电机组摆度信号去噪方法，对机组稳定性试验中的摆度信号进行去噪处理。
对于机组稳定性试验中的摆度信号，本发明采用基于总体经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)和排列熵的水电机组摆度信号去噪方法，将信号进行CEEMD分解，得到若干个经验模态分量(intrinsic modefunction, IMF)，求各分量的排列熵，根据预设的排列熵阈值重构经验模态分量，从而实现水电机组摆度信号的去噪。
5.3)根据得到的叶片的平均应力和动态应力以及对应机组工况下的稳定性数据，绘制水轮机转轮叶片平均应力、动应力与水轮机处理关系曲线图，并以固有频率测试结果为参考，对转轮叶片的应力进行分析，用于为机组合理划分安全稳定运行区域提供建议。
下面通过具体实施例对本发明方法进行进一步阐述。
实施例1：
某水电站水轮机转轮为“X”叶型，不锈钢(0Cr13Ni4)材料，克瓦纳杭发制造，叶片为铸造，与上冠组焊而成。该电站在1号机组检修过程中发现水轮机转轮上冠侧出水边叶片焊缝共三个叶片出现裂纹，经检查其余二台机组水轮机叶片在出水边靠近上冠处均发现裂纹。为了全面了解该水电站机组在不同运行条件下稳定性状况和转轮叶片应力水平，分析水轮机转轮叶片产生裂纹的原因，同时为以后机组划分合理安全稳定运行区域提供科学依据,对其1号机进行了机组稳定性和转轮叶片应力现场测试。试验时上游水位约为1305M，下游水位约为1247.1M，试验平均水头(从空载至最大负荷所有稳定负荷测试点的水轮机工作水头的算术平均值)为58.63m。
1、试验内容和试验方法
试验内容：转轮叶片固有频率测试、机组稳定性测试和转轮叶片应力测试。
1.1转轮叶片固有频率测试
转轮叶片固有频率测试在空气中进行，测试结果给出的频率值为空气中的固有频率，根据有关文献资料计算结果表明，叶片在水体中的振动主频约为空气中的60～70％，而振型基本一致。
1.2转轮叶片应力测试
转轮叶片应力测试方法采用电阻应变测量法，通过测量叶片应变值，经计算得到叶片的平均应力和动态应力。
1.2.1叶片应力测点布置
如图2(a)和图2(b)所示，叶片应力试验的测点布置在相邻2个叶片的出水边处，其中每个叶片正面出水边靠近上冠处安装电阻应变片SG1～SG3，背面出水边靠近上冠处安装电阻应变片SG4～SG6，叶片出水边靠近下环处正、背面分别安装电阻应变片SG7、SG8。
1.2.2叶片应力测试
利用该测试装置在该电站成功完成了转轮叶片的应力现场测试，测试中将测试装置安装于机组主轴轴顶，试验时通过无线遥控启动和停止应变信号采集仪采集旋转部件电阻应变片输出信号并记录，采集的信号同时通过数字无线电台传输至计算机进行信号实时显示。试验结束停机后，试验数据通过安装于机组主轴轴顶的计算机并口或直接取出可移动CF存储卡将数据传至计算机进行信号处理和分析。
1.3机组稳定性试验
机组稳定性试验与转轮叶片应力试验同时进行。
2、试验工况和测点布置
试验中转轮叶片应力试验与机组稳定性试验同时进行，并同步采集，试验工况如下：
①、机组正常开、停机试验。
②、如图3所示，为进行机组变负荷试验时试验工况点，负荷依次为空载、1MW、2MW、3MW、4MW、5MW、6MW、7MW、8MW、9MW、10MW、11MW、12MW、13MW、14MW、 15MW、16MW、17MW、18MW、20MW、22MW、24MW、26MW、27MW、28MW、28.6MW、 28.6MW、27MW、26MW、24MW、22MW、20MW、18MW、17MW、16MW、15MW、14MW、 13MW、12MW、11MW、10MW、9MW、8MW、7MW、6MW、5MW、4MW、3MW、2MW、1MW、空载，机组功率因数保持在额定功率因数。
3、试验结果
3.1、固有频率测试结果
如图4、图5所示，分别为力脉冲信号和响应信号波形图以及传递函数和相干函数分析图。转轮叶片固有频率(空气中)测试采用多次触发采样模式，即锤击(力脉冲) 一次触发完成一次信号的采集，试验中每一个锤击位置共进行三次锤击触发完成三次信号的采集，采集得到的力脉冲信号和响应信号的波形图，通过对其进行传递函数和相干函数分析得到的转轮叶片固有频率测试结果见表1。
表1某电站1号机转轮叶片固有频率测试结果(空气中)
| 序号 | 频率(Hz) | 传函幅值(m/s2/N) | 相干系数 |
| 1 | 43.21 | 0.0178 | 0.88 |
| 2 | 65.67 | 0.0179 | 0.85 |
| 3 | 103.27 | 0.0211 | 0.87 |
| 4 | 158.94 | 0.0345 | 0.97 |
| 5 | 192.14 | 0.0239 | 0.97 |
| 6 | 199.95 | 0.0494 | 1.00 |
| 7 | 215.33 | 0.0493 | 0.97 |
| 8 | 227.54 | 0.0178 | 0.99 |
| 9 | 234.38 | 0.1342 | 0.99 |
| 10 | 243.16 | 0.0413 | 0.96 |
| 11 | 256.35 | 0.0659 | 0.91 |
| 12 | 267.09 | 0.1382 | 0.99 |
| 13 | 287.84 | 0.0271 | 0.91 |
| 14 | 295.90 | 0.0295 | 0.98 |
| 15 | 302.98 | 0.1757 | 0.99 |
| 16 | 325.68 | 0.0286 | 0.97 |
| 17 | 335.94 | 0.0412 | 0.99 |
| 18 | 345.21 | 0.0325 | 0.94 |
| 19 | 351.32 | 0.2422 | 0.99 |
| 20 | 374.51 | 0.0861 | 0.99 |
3.2)转轮叶片应力测试结果
3.2.1)开机试验结果
如图6所示，为开机过程转轮叶片应变幅值时域波形图。从开机过程时域波形图中可以看出，开机过程叶片应力变化可分为二个时段，第一个时段为开机后0～10s 范围内，此时叶片静应力(平均应力)很小，约在0MPa附近，但叶片动应力较大，叶片背面靠近上冠测点(SG4)其动应力峰峰值约为90Mpa。第二个时段为开机后10～30s 范围内，此时随着机组转速的升高叶片静应力(平均应力)开始增加，直到转速稳定，叶片动应力比第一时段略有减小。
3.2.2)稳定工况变负荷试验结果
如图7所示，为各试验测点静应力(平均应力)与水轮机出力的关系曲线图。从图7中可看出，叶片正面靠近上冠处测点(SG1、SG2、SG3)的静应力在空载时为压应力约为-45Mpa，并随负荷的增加而下降，在12MW附近为0，负荷大于12MW后出现拉应力，并随负荷的增加而升高，在满负荷时为最大约为+50Mpa。叶片背面靠近上冠处测点(SG4、SG5、SG6)的静应力在空载时为拉应力约为+65Mpa，并随负荷的增加而降低，在15MW附近为0，负荷大于15MW后出现压应力，并随负荷的增加而升高，在满负荷时压应力最大，其值约为-45Mpa。叶片靠近下环处测点(SG7、SG8)在空载时正面(SG7)为拉应力，随负荷的增加有所升高，背面(SG8)为压应力，随负荷的增加有所下降。
如图8～图11所示，分别为各测点动应力混频峰峰幅值(97％置信度)示意图、脉动主频与水轮机功率的关系曲线图、SG1和SG4应变脉动时域和频域瀑布图。叶片各测点动应力总体趋势随负荷的升高而降低，在小负荷区(空载～12MW)和部分负荷区 (12～20MW)动应力混频峰峰幅值相对较高，叶片背面靠近上冠测点(SG4)动应力最大混频峰峰幅值接近45Mpa，在负荷大于20MW后，随负荷的升高叶片动应力明显降低。在小负荷区(空载～12MW)动应力脉动主频以转频为主，在部分负荷区(12～20MW)动应力脉动主频(f1＝2.2～2.6Hz，转频减去涡带频率)约为转频的2/3，在负荷大于20MW 后，动应力脉动主频以转频为主。
实施例2：
某国外水电站总装机容量630MW，单机容量105MW，共6台，选用ZZ440A-LH-750 水轮机，SF105-66/12800型发电机。水轮机主要参数如下：
该水电站自首台机组并网发电以来，在调试或运行过程中，曾发生过多次抬机事故，机组转动部分上抬高度为25mm～29mm，造成水轮机工作密封跳出、接头撕开，集电环碳刷和刷架、励磁引线绝缘的破坏等。后在检修时发现，6台机组水轮机转轮叶片都出现了不同程度的裂纹，有的已非常严重，直接危及机组的安全运行。其中2号机组最为严重，6个叶片均存在不同程度的裂纹。
试验的目的是通过水轮机转轮叶片应力试验，掌握机组在不同运行负荷下(包括开、停机等过渡过程)转轮叶片动应力和静应力水平以及其随负荷的变化规律，为分析转轮叶片产生裂纹的原因提供技术依据，并对转轮叶片产生裂纹的原因进行分析，提出建议性处理措施。另外，通过试验可为机组合理划分安全稳定运行区域提供建议。
1试验内容和试验方法
1.1转轮叶片固有频率测试
如图12所示，本实施例中选择2个叶片(2号和6号)进行了叶片固有频率测试，锤击位置和响应测点(三个加速度传感器和两个位移传感器)的布置。
1.2转轮叶片应力测试
1.2.1叶片应力测点布置
电阻应变片布置在两个叶片上(2号和6号)，每叶片布置8点，共16点。根据迪什林电站转轮叶片出现裂纹的情况，考虑电阻应变片布置在裂纹产生的叶片出水边侧R450扇区处的正、背面上。应变片选用日本KYOWA KFW-5-350防水型应变片。
1.2.2叶片应力测试
整个测试装置密封后安装于转轮泄水锥中，应变片输出信号通过信号线直接与应变信号采集仪连接。测试过程中，采集的数据直接存储于可移动CF存储卡中，试验结束后取出CF存储卡，读取试验采集数据。
1.3机组稳定性试验
机组稳定特性试验与转轮应力试验同时进行。
2试验项目和试验工况
如图13所示，进行机组变负荷试验时的试验工况图。具体试验项目和试验工况数据如下表2所示。
表2试验项目和试验工况
协联工况下机组变负荷试验工况依次为20MW、25MW、30MW、35MW、40MW、42.5MW、45MW、47.5MW、50MW、52.5MW、55MW、57.5MW、60MW、65MW、70MW、75MW、80MW、85MW、 90MW、90MW、85MW、80MW、75MW、70MW、65MW、60MW、55MW、50MW、45MW、40MW、35MW、 30MW、25MW、20MW共34个工况点。
3试验结果
3.1转轮叶片固有频率测试结果
如图14(a)和图14(b)所示，分别为位移传感器测量结果的传递函数和相干函数分析示意图。如图15(a)和图15(b)所示，分别为加速度传感器测量结果的传递函数和相干函数分析示意图。从图中可以看出，2号机组转轮叶片固有频率共测试了2 和6号二个叶片，测试结果(转轮叶片前18阶固有频率)如下表3～4所示，其中前 5阶按位移传感器测量结果给出，后13阶按加速度传感器测量结果给出。
表3 2号机转轮叶片固有频率测试结果
| 序号 | 频率(Hz) | 传函幅值(μm/N) | 相干系数 |
| 1 | 45.4 | 4.17 | 0.9639 |
| 2 | 53.83 | 1.88 | 0.9982 |
| 3 | 60.79 | 2.00 | 0.9979 |
| 4 | 90.09 | 3.13 | 0.9921 |
| 5 | 120.85 | 3.41 | 0.9984 |
表4 2号机转轮叶片固有频率测试结果
3.2叶片应力试验结果
3.2.1叶片静应力
如图16所示，为2号叶片各测点的静应变值(平均应变值)与负荷的关系曲线图，实测叶片最大平均应变值为87μS，发生在机组满负荷工况(86.83MW)，叶片背面距出水边450mm、距叶片外圆100mm的SG8测点，换算到平均应力值(静应力)为拉应力18.2MPa(材料的弹性模量E按210GPa计算)。
从图中可看出，SG1、SG7、SG8的静应力在空载时为拉应力，其中SG1和SG8的静应力随负荷的增加拉应力增大，在机组满负荷时为最大，SG7的静应力随负荷的增加拉应力降低。SG2、SG3、SG4、SG5、SG6的静应力在空载时为压应力，其中SG2、SG5、 SG6的静应力随负荷的增加压应力增大，在机组满负荷时为最大，SG3和SG4的静应力随负荷的增加压应力降低，在满负荷时为拉应力。从数值上看，各测点实测的应变值都不大，说明在测点布置的部位(R450扇区)叶片的静态变形量不大。
3.2.2叶片动应力
如图17～18所示，为2号叶片各测点叶片动应力混频幅值(97％置信度)、脉动主频与机组有功功率的关系曲线图。叶片各测点动应力混频幅值随负荷变化的规律与尾水管锥管压力脉动变化趋势基本相同，在25MW～55MW负荷范围内相对较大，实测叶片背面距出水边450mm、距叶片外圆100mm处的SG8测点动应力最大混频幅值为39.4MPa，脉动频率主要集中在226Hz～230Hz和292Hz～230Hz两个区域，约为导叶过流频率的 6倍和8倍。其它负荷工况，叶片动应力幅值相对较小。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种机载测动应力装置，其特征在于：其包括若干应变片、应变采集仪、数字无线电台、可移动存储卡、蓄电池以及两计时器；
各所述应变片分别粘贴在机组转轮叶片上的测点位置处，对所述转轮叶片测点位置处的应变信号进行采集，并通过信号线传输到所述应变采集仪；
所述应变采集仪通过导线分别与所述数字无线电台、蓄电池以及两计时器相连；
所述数字无线电台用于将所述应变采集仪接收到的应变信号无线发送到计算机终端进行实时显示；
所述蓄电池用于为所述应变采集仪提供电源；
两所述计时器分别用于控制所述应变采集仪的供电和数据采集；
所述可移动存储卡装载在应变采集仪内部，用于对各所述应变片采集的应变信号进行存储。
2.如权利要求1所述的一种机载测动应力装置，其特征在于：所述应变采集仪、数字无线电台、蓄电池及两计时器密封安装在待检测机组的旋转部件上。
3.一种采用如权利要求1～2任一项所述装置的机载测动应力的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用脉冲激励法对转轮叶片进行固有频率测试，得到转轮叶片的固有频率；
2)进行转轮叶片应力测试准备工作，包括确定进行转轮叶片应力测试的机载测动应力装置，并将其安装到转轮叶片上的预定测点位置；
3)确定进行机组稳定性测试的试验工况点和测点位置，将位移传感器、加速度传感器安装到待检测机组的预定测点位置；
4)同时进行转轮叶片应力和机组稳定性测试，测试过程中同步采集数据；
5)对得到的旋转叶片的应力测试数据以及机组稳定性测试数据进行分析处理，得到机组稳定性与旋转叶片的应力测试对应关系，并以转轮叶片的固有频率测试结果为参考，对转轮叶片的应力进行分析。
4.如权利要求3所述的一种机载测动应力的方法，其特征在于：所述步骤1)中，转轮叶片固有频率的测试方法，包括以下步骤：
1.1)确定转轮叶片的锤击位置，并对转轮叶片的各锤击位置进行多次锤击触发；
1.2)每次锤击触发过程中，采用变时基信号采集方法对力脉冲信号和转轮叶片的响应信号进行采集；
1.3)对采集的力脉冲信号和响应信号进行传递函数和相干函数分析，得到转轮叶片的各阶固有频率。
5.如权利要求4所述的一种机载测动应力的方法，其特征在于：所述传递函数的计算公式为：
所述相干函数rxy(f)的计算公式为：
式中：Sy(f)为输出信号的傅立叶变换，Sx(f)为输入信号的傅立叶变换；Pxy(f)为输出与输入信号的互功率谱；Pxx(f)为输入信号的自功率谱；Pyy(f)为输出信号的自功率谱。
6.如权利要求3所述的一种机载测动应力的方法，其特征在于：所述步骤2)中，转轮叶片应力测试准备工作包括以下步骤：
2.1)确定进行转轮叶片应力应变测试的机载应变信号测试装置，包括应变采集仪、数字无线电台、可移动存储卡、大容量蓄电池以及计时器；
2.2)根据有限元应力计算分析结果或历史实测结果数据，确定转轮叶片的应力测点位置；
2.3)在确定的每一应力测点位置上沿不同方向分别粘贴电阻应变片，形成应变花；
2.4)将应变花中的各应变片通过信号线直接与应变采集仪相连，应变信号采集仪与数字无线电台、计时控制器以及蓄电池相连后，密封安装于机组旋转部件上。
7.如权利要求3所述的一种机载测动应力的方法，其特征在于：所述步骤5)中，对转轮应力的分析方法，包括以下步骤：
5.1)根据测量得到的应变值，计算得到转轮叶片的平均应力和动态应力；
5.2)采用基于总体经验模态分解和排列熵的水电机组摆度信号去噪方法，对机组稳定性试验中的摆度信号进行去噪处理，得到对应机组工况下的稳定性数据；
5.3)根据得到的叶片的平均应力和动态应力以及对应机组工况下的稳定性数据，绘制水轮机转轮叶片平均应力、动应力与水轮机处理关系曲线图，并以固有频率测试结果为参考，对转轮叶片的应力进行分析。
8.如权利要求7所述的一种机载测动应力的方法，其特征在于：所述转轮叶片的平均应力和动态应力的计算公式为：
σ＝E·ε，
式中：σ为计算得出的应力值，单位为Mpa；ε为试验测得的应变值，单位为μm/m；E为材料的弹性模量，且E＝2.1×105MPa。
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