燈泡貫流式水輪機(jī)水力振動(dòng)的形成及其影響

簡(jiǎn)介： 燈泡貫流式機(jī)組,具有適用水頭低、過機(jī)流量大以及效率高等特點(diǎn)，廣泛用于開發(fā)低水頭水力資源。但由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，使得Tw/Ta值較大，相應(yīng)水輪機(jī)水力振動(dòng)對(duì)其影響也較大，文章就水力振動(dòng)的形成以及對(duì)機(jī)組的影響進(jìn)行了分析，供同行們參考。
關(guān)鍵字：燈泡貫流式水輪機(jī) 水力振動(dòng) 影響

1前言

飛來峽水利樞紐發(fā)電廠位于廣東省清遠(yuǎn)市北江干流中游，為低水頭徑流式電站，廠房為河床式。電站總裝機(jī)容量140MW，裝置4臺(tái)轉(zhuǎn)輪直徑7m，額定容量39MVA的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭為8.53m,最大毛水頭為15m,發(fā)電最小毛水頭為3.3m。機(jī)組及監(jiān)控系統(tǒng)均從奧地利引進(jìn)，在國內(nèi)目前同類型機(jī)組中，單機(jī)容量最大。水輪機(jī)是水電廠主設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著將水流機(jī)械能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的重要任務(wù)，其運(yùn)行質(zhì)量或損傷都將關(guān)系著整個(gè)水力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性、安全性及機(jī)組的使用壽命。在水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，振動(dòng)對(duì)機(jī)組損害影響較大，如縮短機(jī)組檢修周期，增加維護(hù)工作量等。
2 燈泡貫流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1支撐方式
　　整個(gè)燈泡是一個(gè)大型薄殼外壓容器，除承受機(jī)組本身的自重外，還要承受水壓力、浮力、正向水推力、反向水推力、振動(dòng)力矩、電磁力矩等荷載，因此燈泡機(jī)組的支撐體起著舉足輕重的作用。主支撐由管型座（俗稱座環(huán)）承擔(dān)。飛來峽電站的管型座由內(nèi)外兩部分組成，上下支柱為管型座的主要組成部分，各種荷載主要通過管型座傳遞給基礎(chǔ)，支柱中為空心，作為運(yùn)行檢修人員的上下通道。
在燈泡頭的低部設(shè)有一個(gè)球型支撐（為奧地利ELIN公司的專利），其特點(diǎn)是允許燈泡頭（即軸向和徑向）有微小的變形，并可減少振動(dòng)。另外的燈泡頭的兩側(cè)還裝有兩個(gè)橫向支撐，它與管型座、球支撐共同對(duì)燈泡形成一個(gè)穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。
2.2軸承
機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分為二支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)，設(shè)有發(fā)電機(jī)組合軸承和水導(dǎo)軸承，兩套軸承共用一套軸承潤(rùn)滑油裝置。組合軸承位于發(fā)電機(jī)的下游側(cè)，由正推力軸承、反推力軸承和發(fā)導(dǎo)軸承組成；水導(dǎo)軸承在水輪機(jī)大軸密封的上游側(cè)。在飛來峽電站設(shè)計(jì)要求正推可承受4500KN的連續(xù)荷載，反推力軸承可承受5400KN的瞬時(shí)負(fù)荷；發(fā)導(dǎo)和水導(dǎo)軸承作為支撐發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)以及大軸等重量，可承受1180KN的連續(xù)荷載。
3運(yùn)行現(xiàn)象

燈泡貫流式機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，它靠管型座、燈泡頭底部的主支撐以及兩根斜支撐固定整個(gè)機(jī)組，機(jī)組穩(wěn)定性有其先天不足，故相對(duì)其它形式的機(jī)組而言，振動(dòng)對(duì)其質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重，在飛來峽水力發(fā)電廠就多次出現(xiàn)齒盤測(cè)速探頭被磨損，造成其更換頻繁，備品消耗嚴(yán)重；由于振動(dòng)，多次出現(xiàn)導(dǎo)葉、輪葉位置傳感器電氣連接插把松動(dòng)脫落而引起機(jī)組停機(jī)或甩負(fù)荷；另外，在水輪機(jī)室的噪音也特別大（有時(shí)高達(dá)110db），對(duì)運(yùn)行人員身心健康不利。下面就燈泡貫流式水輪機(jī)水力振動(dòng)的形成、危害、運(yùn)行注意事項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，為機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)提供依據(jù)。
4燈泡貫流式水輪機(jī)水力振動(dòng)

水力振動(dòng)是機(jī)組振動(dòng)的重要干擾源，就燈泡貫流式水輪機(jī)而言，水力振動(dòng)主要由以下原因引起，即：渦帶振動(dòng)、卡門渦列、狹縫射流、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等。
4.1渦帶振動(dòng)
根據(jù)速度三角形可以知道，由轉(zhuǎn)輪流出的水流方向，在最優(yōu)工況時(shí)，大致為軸向，但是，機(jī)組負(fù)荷不可能總是在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷大于最優(yōu)工況時(shí)，水流就具有與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)分量；而負(fù)荷比最優(yōu)工況小時(shí)，就具有與旋轉(zhuǎn)方向同向的旋轉(zhuǎn)分量，這樣，在尾水管中心附近就產(chǎn)生具有某個(gè)邊界層的旋轉(zhuǎn)渦帶。渦帶中心壓力較低，在尾水位低時(shí)，其中心部分壓力更低，形成汽蝕，這就是一般稱為的“空腔汽蝕”。在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（水輪機(jī)額定出力周圍），渦帶往往比較穩(wěn)定；而在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，渦帶成為龍卷狀，在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，從而在尾水管內(nèi)引起壓力脈動(dòng)，在水輪機(jī)運(yùn)行層可以聽到“空空”的聲響。其壓力脈動(dòng)頻率為：
f=n /（60Z）
式中f     壓力脈動(dòng)頻率（Hz）
    n     水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）
    Z     經(jīng)驗(yàn)值，一般取3~4（有時(shí)也接近于1~5）
壓力脈動(dòng)的頻率和幅值是隨機(jī)組工況的變化而變化的。假若與過水系統(tǒng)水壓脈動(dòng)頻率共振時(shí)，就造成水輪機(jī)整個(gè)過流系統(tǒng)的強(qiáng)烈水壓脈動(dòng)，即尾水管、管型座和電站水工建筑物等的振動(dòng)。并且會(huì)引起機(jī)組轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，造成并網(wǎng)困難，這在飛來峽電站已經(jīng)出現(xiàn)過。另外，當(dāng)飛來峽電站機(jī)組處于“飛逸”泄水工況時(shí)，尾水管進(jìn)口出的壓力脈動(dòng)值更大，有時(shí)達(dá)到凈水頭的14%左右；此時(shí)機(jī)組的振動(dòng)增大，引起的噪音也隨之增加（高大110分貝左右）。
4.2由卡門渦引起的振動(dòng)
卡門渦是一種渦列，當(dāng)流體流過一圓柱體或板（包括一般不繞流體）時(shí)，在物體后面就會(huì)沿著兩條互相平行的直線產(chǎn)生一系列相隔一定距離的單渦（見圖1）。這一系列單渦稱之為卡門渦列。各個(gè)單渦以相反的旋轉(zhuǎn)的形式交替在物體兩后側(cè)釋放出來，與此同時(shí)，物體就受到與來流方向垂直的很強(qiáng)的交變力。這種交變力與旋渦頻率相同。其振動(dòng)頻率為：
f=S_t*V/δ
式中f    振動(dòng)頻率(Hz)
    S_t斯特雷哈系數(shù)（一般取0.15-0.2）

V 繞流流速(m/s)

δ 圓柱體直徑或板厚(m)

V δ

圖1 卡門單渦示意圖

這種渦列在水輪機(jī)運(yùn)行中也經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)葉和輪葉在具有鈍尾時(shí)，就會(huì)在葉片后面出現(xiàn)卡門渦列，產(chǎn)生作用在葉片尾部的交變力。假若交變力的頻率與葉片固有頻率相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，發(fā)出葉片振動(dòng)的嘯叫聲，使葉片與轉(zhuǎn)輪輪轂連接處（或?qū)~與外配、內(nèi)配連接處）產(chǎn)生疲勞裂紋，因此，在機(jī)組檢修過程中，應(yīng)特別注意疲勞裂紋的檢查。

這種渦的發(fā)生與否，與水流中物體的形狀有關(guān)，其頻率受水流流速的影響。因此，流速達(dá)到某一值，共振條件一成立，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。所以實(shí)際水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，卡門渦列引起的振動(dòng)是在一定的工況下發(fā)生。下面列出卡門渦列與渦帶的區(qū)別（見表1），以供運(yùn)行人員在水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中參考。

表1 渦帶與卡門渦列的區(qū)別

項(xiàng)目

類別

數(shù)學(xué)

模型

形成

部位

與水輪機(jī)工況的關(guān)系

引起的

后果

作用在物體上的力

聲音

渦帶

f=n/（60Z）

尾水管中部附近

壓力脈動(dòng)的頻率和幅值隨工況而變化

引起機(jī)組轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，難以并網(wǎng)

壓力脈動(dòng)

“空空”的聲音

卡門渦列

f=s_t*v/δ

導(dǎo)葉、葉片處

一定工況下

產(chǎn)生疲勞裂紋

交變力

嘯叫聲

4.3狹縫射流

在燈泡貫流式水輪機(jī)中，由于轉(zhuǎn)輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在輪葉外緣和轉(zhuǎn)輪室之間的狹窄縫隙（飛來峽電站葉片與轉(zhuǎn)輪室的間隙是7mm）中，形成一股射流，其速度很高而壓力非常低。在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)輪室壁的某一部分在葉片達(dá)到的瞬間處于低壓；而在輪葉離去后又處于高壓，如此循環(huán)，形成了對(duì)轉(zhuǎn)輪室壁的周期性壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致疲勞破壞。這種振動(dòng)的頻率為：

f=（Z₁n）/60

式中f 壓力脈動(dòng)頻率（Hz）

n 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）

Z₁ 葉片數(shù)目(飛來峽電站4片)

4.4協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)中協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確時(shí)，一方面會(huì)引起調(diào)速器系統(tǒng)持續(xù)振蕩過程變長(zhǎng)，機(jī)組出力、轉(zhuǎn)速發(fā)生振蕩，轉(zhuǎn)動(dòng)部分扭矩就會(huì)引起大軸變形，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；另一方面，由于水流情況惡化，在水導(dǎo)軸承、組合軸承處引起軸向振動(dòng)，對(duì)于飛來峽電站（轉(zhuǎn)輪直徑7000mm）而言，這種情況表現(xiàn)更為強(qiáng)烈。

同時(shí)，協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片不再具有無撞擊進(jìn)口，水流對(duì)葉片就會(huì)產(chǎn)生沖擊，在不斷的調(diào)節(jié)過程中，由于沖角隨時(shí)在變化，作用在葉片上的負(fù)荷及由此而產(chǎn)生的葉片扭矩、變形等也相應(yīng)變化，這些變化過程就反映了振動(dòng)的進(jìn)程。

4.5其它原因引起的振動(dòng)

當(dāng)水輪機(jī)汽蝕嚴(yán)重時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪音，特別是在低水頭低負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片沖角變化較大，使葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈的脫流旋渦，一方面惡化汽蝕現(xiàn)象，另一方面引起轉(zhuǎn)動(dòng)部分和尾水管的振動(dòng)，這種振動(dòng)頻率沒有一定規(guī)律。這種振動(dòng)稱之為由汽蝕引起的振動(dòng)。另外，在停機(jī)或甩負(fù)荷導(dǎo)葉快關(guān)時(shí)的反水錘，也會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。

5.結(jié)束語