基于短时傅里叶变换的水轮机涡带工况识别 - 人民长江.PDF

第４７卷 第８期 人　民　长　江 Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．８ ２０１６年 ４月　 　 Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　 　 Ａｐｒ．， ２０１６ 　　文章编号：１００１－４１７９（２０１６）０８－００８５－０３ 基于短时傅里叶变换的水轮机涡带工况识别 １ １ ２ ２ 樊 玉林 ，张　飞 ，付　婧 ，徐　静 （１．国网新源控股有限公司 技术中心，北京 １００１６１；　２．中国水利水电科学研究院 信息中心，北京 １０００４４） 摘要：在对水轮机运行区划分过程中存在着涡带负荷区识别问题，为此开展了专项研究。针对水轮机从空载 至满负荷连续升负荷过程中的水导摆度信号，采用高斯窗口函数进行加窗傅里叶变换分析。分析结果表明， 采用加窗傅里叶变换这一手段可以精确确定涡带运行区的运行范围，同时根据升负荷过程中主频涡带频率 成分出现的先后顺序，将涡带负荷区划分为涡带生成区、强涡带区和涡带消亡区，并对不同区域内涡带影响下 的轴心轨迹特点进行了分析。对分析背景、分析方法以及实例分析过程作了比较详细的介绍。 关　键　词：涡带工况；短时傅里叶变换；轴心轨迹；水轮机 中图法分类号：ＴＶ７３４．１　　　文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６２３２／ｊ．ｃｎｋｉ．１００１－４１７９．２０１６．０８．０１８ 行中尾水管涡带何时产生、何时结束的问题，在相关文 １　研究背景 献中并没有给出。基于此，本文专门对混流式水轮机 尾水管涡带是水轮机的重要特征，它的存在严重 连续变负荷工况下的稳定性测点信号开展分析，采用 影响着水电机组的安全稳定运行。通常，将投入运行 加窗傅里叶变换手段对涡带工况进行识别，从而实现 的水轮机划分为３个运行区，即禁止、限制和稳定运行 了对涡带起始至结束全过程的识别。 区。传统上，运行区的划分依赖于水轮机生产厂家根 ２　短时傅里叶变换 据模型试验提供的运转特性曲线，或者是运行人员根 据经验以及稳定性监测系统提供的数据进行综合分 傅里叶变换在信号分析中具有极其重要的作用。 析，从而得到不同的运行区划分。近些年来，三峡水电 传统的傅里叶变换是一种对时域信号的整体变换，不 站、向家坝水电站以及溪洛渡水电站等大容量、高参数 适合处理非平稳信号。为克服傅里叶变换在时域局部 的水电机组均已投运，水电站的水头变幅也有增大的 化方面的不足，１９４６年，Ｄ．Ｇａｂｏｒ提出了研究非平稳信 趋势，如果水轮机经常偏离或远离设计工况运行，就会 号的短时傅里叶变换或窗口傅里叶变换，从而在一定 引起水力振动从而对转轮、尾水管以及水工建筑物产 程度上实现了时域和频域局部化。 生严重的危害［１］。因此，水轮机的安全稳定运行受到 短时傅里叶变换的思想是：在传统傅里叶变换的 了广泛关注，这就对水轮机运行区的划分提出了更高 框架中，把非平稳信号看成是一系列短时平稳信号的 的要求。 叠加，而短时性则通过在时域上的加窗实现，并通过平 随着流体动力学技术、现代测试技术以及信号分 移参数来覆盖整个时域［６－７］。 设 ｈ（ｔ）是中心位于 且宽度有限的窗函数，对于 析手段的进一步发展，科研人员采用 ＣＦＤ模拟技术和 τ 现场实测手段对尾水管涡带进行了深入研