半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法及装置与流程

1.本发明属于水轮发电机技术领域，具体是涉及到一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法及装置。


背景技术：

2.水电作为一种清洁能源，进行了大量开发。水轮发电机组在运行过程中会产生机械振动，振动过大时可能造成紧固件松动、部件出现裂纹甚至断裂的情况，从而影响机组的正常运行，造成水能资源开发利用的降低。随着水轮发电机组的大规模建设，机组的运行稳定性越来越引起重视。水轮发电机组中，常把激振力分为水力激振力、机械激振力和电磁激振力，在激振力作用下引起各种振动，造成振动问题十分复杂，水轮发电机上机架作为机组的重要部件，其安全性关系到整台机组的安全运行。
3.水轮发电机组在运行过程中承受的载荷有水力激振力、机械激振力和电磁力三种，每种载荷的大小与机组的设计制造水平、运行工况和安装质量等有密切关系，且这三种载荷相互影响，相互耦合。半伞式水轮发电机上机架是非承重机架，承受的载荷为发电机转动部分通过上导轴承传递过来的径向力。目前计算上机架承受的径向载荷的方法是根据经验估计转子质量不平衡度、定转子气隙不均匀系数及水力不平衡力，然后计算上导支撑、下导支撑和水导支撑刚度，最后计算出上机架承受的径向载荷，进而计算出上机架的静应力，这个计算结果和上机架实际应力水平有较大误差。因此有必要对上机架应力进行精确计算，尤其是对上机架在各运行工况的动应力进行计算。


技术实现要素：

4.本发明提供一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法及装置，以解决上机架动应力计算不精确以及水轮机组运行稳定性不高的问题。
5.基于上述目的，本发明实施例提供了一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法，包括：获取半伞式水轮发电机上机架第一方向和第二方向的第一振动波形，其中第一方向和第二方向为所述半伞式水轮发电机上机架的水平延伸方向，且相互垂直；根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形和预设的标准载荷数据计算各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷，形成轴承载荷数据；根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析，获取所述目标节点在所述预设载荷时间段内各第二时间点的动应力。
6.可选的，所述获取半伞式水轮发电机上机架第一方向和第二方向的振动波形之前，包括：应用模型软件构建水轮发电机上机架模型，其中，上机架采用solid187单元划分网格，在轴承座圈内侧的圆柱面上划分表面效应单元surf154；基于水轮发电机上机架模型，在预设标准载荷时获取第一方向和第二方向的预设数量个载荷数据，得到标准载荷数据。
7.可选的，所述基于水轮发电机上机架模型，在预设标准载荷时获取第一方向和第
二方向的预设数量个载荷数据，得到标准载荷数据，包括：在轴承载荷为预设标准载荷时，分别测得所述水轮发电机上机架模型的第一方向和第二方向的第二振动波形；以预设角度间隔，根据所述第二振动波形分别提取所述水轮发电机上机架模型的第一方向和第二方向的预设数量个标准轴承载荷角度的变形值以及第一方向与第二方向的第一变形值比值；存储预设数量个所述标准轴承载荷角度、每个所述标准轴承载荷角度对应的第一方向和第二方向的变形值，以及所述第一变形值比值，形成所述标准载荷数据。
8.可选的，所述标准载荷数据包括：预设数量个标准轴承载荷角度、每个所述标准轴承载荷角度对应的第一方向和第二方向的变形值，以及第一方向和第二方向的第一变形值比值；所述根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形和预设的标准载荷数据计算各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷，形成轴承载荷数据，包括：根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形提取各第一时间点的第一方向和第二方向的变形值，并计算两者的第二变形值比值；根据所述第一方向和第二方向的第二变形值比值以及所述标准载荷数据中各所述标准轴承载荷角度对应的所述第一变形值比值应用插值方法计算各第一时间点的所述轴承载荷角度；根据所述轴承载荷角度以及所述标准载荷数据中各所述标准轴承载荷角度对应的第一方向的变形值应用插值方法计算与所述轴承载荷角度对应的第一方向的变形计算值；查找所述标准载荷数据中与所述轴承载荷角度接近的所述标准轴承载荷角度以及与所述标准轴承载荷角度对应的第一方向的变形值，根据所述第一方向的变形计算值、所述标准轴承载荷角度及对应的第一方向的变形值计算所述轴承载荷；第一时间点以及各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷组合形成所述半伞式水轮发电机上机架的所述轴承载荷数据。
9.可选的，所述根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析，获取所述目标节点在所述预设载荷时间段内各第二时间点的动应力，包括：以预设时间步长确定预设载荷时间段内各第二时间点；针对任一所述第二时间点，根据所述轴承载荷数据应用插值法计算所述第二时间点的轴承载荷和轴承载荷角度；选取所述水轮发电机上机架模型的轴承座圈内侧的圆柱面上所有节点，并基于所有节点的表面效应单元在轴承座圈施加所述轴承载荷；计算所述水轮发电机上机架模型的所有网格点的动应力，并提取所述目标节点的动应力。
10.可选的，所述根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析之前，还包括：读取所述轴承载荷数据，将所述轴承载荷数据拆分为存储时间与轴承载荷的第一数据表和存储时间与轴承载荷角度的第二数据表；所述根据所述轴承载荷数据应用插值法计算所述第二时间点的轴承载荷和轴承载荷角度，包括：根据所述第一数据表应用插值法计算所述第二时间点的轴承载荷；根据所述第二数据表应用插值法计算所述第二时间点的轴承载荷角度。
11.可选的，所述选取所述水轮发电机上机架模型的轴承座圈内侧的圆柱面上所有节点，包括：建立一个局部笛卡尔坐标系，局部笛卡尔坐标系的z轴相对总体笛卡尔坐标系的z轴旋转所述轴承载荷角度；在新建的所述局部笛卡尔坐标系中选取轴承座圈内侧第一方向坐标在0至轴承直径/2的所有节点。
12.基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算装置，包括：波形获取模块，用于获取半伞式水轮发电机上机架第一方向和第二方向
的第一振动波形，其中第一方向和第二方向为所述半伞式水轮发电机上机架的水平延伸方向，且相互垂直；载荷数据获取模块，用于根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形和预设的标准载荷数据计算各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷，形成轴承载荷数据；瞬态分析模块，用于根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析，获取所述目标节点在所述预设载荷时间段内各第二时间点的动应力。
13.基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前述的方法。
14.基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行前述的方法。
15.从上述可以看出，本发明实施例提供的一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法及装置，通过获取半伞式水轮发电机上机架第一方向和第二方向的第一振动波形，其中第一方向和第二方向为所述半伞式水轮发电机上机架的水平延伸方向，且相互垂直；根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形和预设的标准载荷数据计算各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷，形成轴承载荷数据；根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析，获取所述目标节点在所述预设载荷时间段内各第二时间点的动应力，能够提高上机架应力计算的精确性，有助于保持机组的运行稳定性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例中的一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法的流程示意图；
18.图2为本发明实施例中的半伞式水轮发电机上机架的结构示意图；
19.图3为本发明实施例中的进行瞬态分析获取各第二时间点的动应力的方法示意图；
20.图4为本发明实施例中的一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算装置的结构示意图；
21.图5为本发明实施例中的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
22.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
23.需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在
该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
24.本发明实施例还提供了一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法。如附图1所示，半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法包括：
25.步骤s11：获取半伞式水轮发电机上机架第一方向x向和第二方向y向的第一振动波形，其中第一方向x向和第二方向y向为所述半伞式水轮发电机上机架的水平延伸方向，且相互垂直。
26.在本发明实施例中，应用模型软件构建水轮发电机上机架模型，其中，上机架采用solid187单元划分网格，在轴承座圈内侧的圆柱面上划分表面效应单元surf154；上机架建立x、y、z三维坐标轴用于获取振动波形；上机架材料弹性模量为2.068e+5mpa，泊松比为0.3。约束上机架支臂腿与基础接触面的切向自由度。
27.基于水轮发电机上机架模型，在预设标准载荷时获取第一方向，即x向，和第二方向，即y向，预设数量个载荷数据，得到标准载荷数据。具体地，在轴承载荷为预设标准载荷时，分别测得所述水轮发电机上机架模型的第一方向和第二方向的第二振动波形；以预设角度间隔，根据所述第二振动波形分别提取所述水轮发电机上机架模型的第一方向和第二方向的预设数量个标准轴承载荷角度的变形值以及第一方向与第二方向的第一变形值比值；存储预设数量个所述标准轴承载荷角度、每个所述标准轴承载荷角度对应的第一方向和第二方向的变形值，以及所述第一变形值比值，形成所述标准载荷数据。
28.预设轴承总载荷1000n为标准载荷，载荷方向按角度6
°
为一个间隔，360
°
范围内分别计算60个载荷作用下上机架的刚强度分析。按顺序第1个首先计算轴承载荷角度为6
°
时上机架的刚强度，第n个计算轴承载荷角度为n
×6°
时上机架的刚强度，最后计算(第60个)轴承载荷角度为60
×6°
时上机架的刚强度。
29.机组在上机架的第一方向x向设置有测点m测量上机架第一方向x向振动波形，第二方向y向设置有测点n测量上机架第二方向y向振动波形。在上机架分析模型中分别提取m点在第一方向x向的变形值xn和n点在第二方向y向的变形值yn，并相应提取轴承载荷的角度n
×6°
，同时求得值xn/yn。
30.标准载荷数据包括在轴承载荷为预设标准载荷1000n时得到的预设数量个所述标准轴承载荷角度6n、每个所述标准轴承载荷角度对应的第一方向x向的变形值xn、第二方向y向的变形值yn、以及第一方向x向的变形值xn与第二方向y向的变形值yn所述第一变形值比值xn/yn。
31.半伞式水轮发电机上机架的结构如图2所示，第一方向(x向)和第二方向(y向)为半伞式水轮发电机上机架的水平延伸方向，且相互垂直。在步骤s11中，现场测得上机架第一方向和第二方向的所述第一振动波形数据。
32.步骤s12：根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形和预设的标准载荷数据计算各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷，形成轴承载荷数据。
33.在步骤s12中，首先根据第一方向x向和第二方向y向的所述第一振动波形提取各第一时间点t的第一方向x向变形值x
t
和第二方向y向的变形值y
t
，并计算两者的第二变形值
比值x
t
/y
t
，再在标准载荷数据中找到较为接近的第一变形值比值xn/yn。
34.然后根据所述第一方向和第二方向的第二变形值比值以及所述标准载荷数据中各所述标准轴承载荷角度对应的所述第一变形值比值应用插值方法计算各第一时间点的所述轴承载荷角度θ，任一第一时间点t的轴承载荷角度θ满足以下关系式：
[0035][0036]
再根据所述轴承载荷角度以及所述标准载荷数据中各所述标准轴承载荷角度对应的第一方向的变形值应用插值方法计算与所述轴承载荷角度对应的第一方向的变形计算值。具体先求轴承载荷角度为θ时第一方向x向的变形值x’，找到与轴承载荷角度θ比较接近的轴承载荷角度6n，得到轴承载荷角度为6n对应的第一方向x向变形值x
6n
，采用插值法根据以下关系式求取x’：
[0037][0038]
查找所述标准载荷数据中与所述轴承载荷角度接近的所述标准轴承载荷角度以及与所述标准轴承载荷角度对应的第一方向的变形值，根据所述第一方向的变形计算值、所述标准轴承载荷角度及对应的第一方向的变形值计算所述轴承载荷。满足以下关系式：
[0039][0040]
第一时间点以及各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷组合形成所述半伞式水轮发电机上机架的所述轴承载荷数据。将轴承载荷数据保存在一个txt文件中，第一列为时间，第二列为轴承载荷、第三列为轴承角度。
[0041]
步骤s13：根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析，获取所述目标节点在所述预设载荷时间段内各第二时间点的动应力。
[0042]
将步骤s12中获取的轴承载荷数据读入水轮发电机上机架模型中，定义两个数据表，第一数据表数据表名称取为load_f，用来存储轴承载荷幅值，第二数据表名称取为load_theta，用来存储轴承载荷角度。数据表的行数和读入的载荷数据的行数相同，数据表是两列。
[0043]
在步骤s13之前，读取所述轴承载荷数据，将所述轴承载荷数据拆分为存储时间与轴承载荷的第一数据表和存储时间与轴承载荷角度的第二数据表；所述根据所述轴承载荷数据应用插值法计算所述第二时间点的轴承载荷和轴承载荷角度，包括：根据所述第一数据表应用插值法计算所述第二时间点的轴承载荷；根据所述第二数据表应用插值法计算所述第二时间点的轴承载荷角度。具体地，编写循环语句，通过循环语句把载荷数据赋值给数据表load_f和load_theta，数据表的第一列保存时间，第二列分别保存载荷值和角度。
[0044]
在步骤s13中，如图3所示，包括：
[0045]
步骤s31：以预设时间步长确定预设载荷时间段内各第二时间点。
[0046]
在本发明实施例中，设置分析类型为瞬态分析，定义瞬态分析时间步长d_t。时间步长的选取要根据机组的转速及振动频率来定，步长越小计算量越大也越精确。
[0047]
时间步长确定后，计算出需要进行计算的载荷步数n_t＝t_tot/d_t，其中t_tot为
载荷总时间；
[0048]
通过水轮发电机上机架模型中的应力节点坐标，提取关注应力位置的应力节点编号n_stress。其中采用solid187单元划分的网格为对应的一个应力节点。
[0049]
定义一个n_t行2列的数据表命名为time_stress：一行用来记录不同载荷步数的时间；一行用来记录不同载荷步数的时间对应的存储应力。
[0050]
计算轴承等效面积a0：
[0051]
a0＝π
×d×h[0052]
其中，d为轴承的直径，h为轴承的高度。
[0053]
步骤s32：针对任一所述第二时间点t，根据所述轴承载荷数据应用插值法计算所述第二时间点t的轴承载荷和轴承载荷角度。
[0054]
可选的，编写循环语句，以任一第二时间点t1为例：
[0055]
循环从i＝1开始，共循环需要进行计算的载荷步数n_t次；
[0056]
第i次循环时，第二时间点时间t1＝i*d_t；
[0057]
通过分别对第一数据表和第二数据表的插值得到第二时间点t1的轴承载荷和轴承载荷角度；
[0058]
f1＝load_f1(t1,1)
[0059]
theta1＝load_theta1(t1,1)
[0060]
即根据所述第一数据表应用插值法计算所述第二时间点t1的轴承载荷；根据所述第二数据表应用插值法计算所述第二时间点t1的轴承载荷角度。
[0061]
步骤s33：选取所述水轮发电机上机架模型的轴承座圈内侧的圆柱面上所有节点，并基于所有节点的表面效应单元在轴承座圈施加所述轴承载荷。
[0062]
建立一个局部笛卡尔坐标系，局部笛卡尔坐标系的z轴相对总体笛卡尔坐标系的z轴旋转所述轴承载荷角度；在新建的所述局部笛卡尔坐标系中选取轴承座圈内侧第一方向坐标在0至轴承直径/2的所有节点。
[0063]
在轴承座圈施加所述轴承载荷时，选取节点的表面效应单元；计算出第二时间点t1轴承座圈承受的平均压力：pres0＝f1/a0；根据平均压力对轴承座圈施加载荷。
[0064]
步骤s34：计算所述水轮发电机上机架模型的所有网格点的动应力，并提取所述目标节点的动应力。
[0065]
对轴承座圈施加载荷后，求解第二时间点t1的水轮发电机上机架模型的所有网格点的动应力，并提取所述目标节点的动应力。存储第二时间点t1到数据表time_stress的第i行第一列，存储目标节点n_stress的应力到数据表time_stress的第i行第二列。然后重复迭代不断进行第i+1次求解。
[0066]
输出数据表time_stress到txt文件中，得到各上机架关注点的动应力。
[0067]
本发明实施例通过获取半伞式水轮发电机上机架第一方向x向和第二方向y向的第一振动波形；根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形和预设的标准载荷数据计算各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷，形成轴承载荷数据；根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析，获取所述目标节点在所述预设载荷时间段内各第二时间点的动应力，能够对半伞式水轮发电机上机架在不同运行工况时各节点的动应力进行计算，提高上机架应力计算的精确性，有助于保持机组的运行稳定性。
[0068]
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种半伞式水轮发电机上机架动应力计算装置。如附图4所示，半伞式水轮发电机上机架动应力计算方法装置包括：波形获取模块、载荷数据获取模块和瞬态分析模块。其中：
[0069]
波形获取模块，用于获取半伞式水轮发电机上机架第一方向和第二方向的第一振动波形，其中第一方向和第二方向为所述半伞式水轮发电机上机架的水平延伸方向，且相互垂直；
[0070]
载荷数据获取模块，用于根据第一方向和第二方向的所述第一振动波形和预设的标准载荷数据计算各第一时间点的轴承载荷角度和轴承载荷，形成轴承载荷数据；
[0071]
瞬态分析模块，用于根据所述轴承载荷数据在预设载荷时间段内对至少一个目标节点进行瞬态分析，获取所述目标节点在所述预设载荷时间段内各第二时间点的动应力。
[0072]
在实施本发明实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0073]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任意一实施例所述的方法。
[0074]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如上述任意一实施例所述的方法。
[0075]
图5示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器501、存储器502、输入/输出接口503、通信接口504和总线505。其中处理器501、存储器502、输入/输出接口503和通信接口504通过总线505实现彼此之间在设备内部的通信连接。
[0076]
处理器501可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本发明方法实施例所提供的技术方案。
[0077]
存储器502可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random accessmemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器502可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本发明方法实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器502中，并由处理器501来调用执行。
[0078]
输入/输出接口503用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
[0079]
通信接口504用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
[0080]
总线505包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器501、存储器502、输入/输出
接口503和通信接口504)之间传输信息。
[0081]
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器501、存储器502、输入/输出接口503、通信接口504以及总线505，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本发明实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
[0082]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的范围被限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0083]
本技术旨在涵盖落入本发明实施例的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。