水轮发电机组活动导叶模态试验研究

李崇仕，万 元，李汉臻，侯 凯

（湖南五凌电力科技有限公司，湖南 长沙 410014）

0 引言

活动导叶是水轮机导水机构的重要部件，当水头一定时，其开度的大小决定了机组负荷的高低。水电机组导叶故障频发，典型的如大朝山、凤滩水电厂机组此前均出现了贯穿性导叶裂纹现象，后采用现场模态测试方法确定了导叶的固有频率与卡门涡激励频域趋近，并最终综合分析判断其裂纹是由于共振导致[1,2]。因此，对活动导叶的动力学特性研究有其现实的需求，特别是通过现场模态试验得出其动力学参数对于故障诊断、结构强度和疲劳破坏性的研究均具有重要意义。

本文以贵州某水电站水轮机活动导叶为例，曾经出现过活动导叶裂纹的现象，其尺寸为高2 205 mm，宽1 057 mm。通过现场模态试验的方法识别出前五阶模态参数，为水电机组故障诊断和活动导叶的设计和优化提供依据。

1 模态分析原理

模态计算可分为理论模态和试验模态。理论模态可基于有限元分析软件，对结构件进行模态计算得到动态特性指标：频率、振型、阻尼；现场试验是利用智能数据采集和信号处理仪对结构件的模态进行实测，得出构件的动态特性指标[3]。模态分析基本原理，一个动态特性经离散化处理后可由N阶矩阵微分方程描述：

式中：f（t）为 N 维激振力向量分别为N维位移、速度和加速度相应向量；M、K、C分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称N阶矩阵。

对式（1）进行特征值求解可得各个特征值与特征向量，特征值即固有频率，特征向量即该阶固有频率对应振形。……