燈泡貫流式水輪機水力振動的形成及其影響

簡介： 燈泡貫流式機組,具有適用水頭低、過機流量大以及效率高等特點，廣泛用于開發(fā)低水頭水力資源。但由于機組轉(zhuǎn)動慣量小，使得Tw/Ta值較大，相應水輪機水力振動對其影響也較大，文章就水力振動的形成以及對機組的影響進行了分析，供同行們參考。
關(guān)鍵字：燈泡貫流式水輪機水力振動影響

1前言

飛來峽水利樞紐發(fā)電廠位于廣東省清遠市北江干流中游，為低水頭徑流式電站，廠房為河床式。電站總裝機容量140MW，裝置4臺轉(zhuǎn)輪直徑7m，額定容量39MVA的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，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。機組及監(jiān)控系統(tǒng)均從奧地利引進，在國內(nèi)目前同類型機組中，單機容量最大。水輪機是水電廠主設備之一，它擔負著將水流機械能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)機械能的重要任務，其運行質(zhì)量或損傷都將關(guān)系著整個水力發(fā)電廠的經(jīng)濟性、安全性及機組的使用壽命。在水輪機實際運行中，振動對機組損害影響較大，如縮短機組檢修周期，增加維護工作量等。
2 燈泡貫流式水輪機的結(jié)構(gòu)特點

2.1支撐方式
　　整個燈泡是一個大型薄殼外壓容器，除承受機組本身的自重外，還要承受水壓力、浮力、正向水推力、反向水推力、振動力矩、電磁力矩等荷載，因此燈泡機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。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，支柱中為空心，作為運行檢修人員的上下通道。
在燈泡頭的低部設有一個球型支撐（為奧地利ELIN公司的專利），其特點是允許燈泡頭（即軸向和徑向）有微小的變形，并可減少振動。另外的燈泡頭的兩側(cè)還裝有兩個橫向支撐，它與管型座、球支撐共同對燈泡形成一個穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。
2.2軸承
機組轉(zhuǎn)動部分為二支點雙懸臂結(jié)構(gòu)，設有發(fā)電機組合軸承和水導軸承，兩套軸承共用一套軸承潤滑油裝置。組合軸承位于發(fā)電機的下游側(cè)，由正推力軸承、反推力軸承和發(fā)導軸承組成；水導軸承在水輪機大軸密封的上游側(cè)。在飛來峽電站設計要求正推可承受4500KN的連續(xù)荷載，反推力軸承可承受5400KN的瞬時負荷；發(fā)導和水導軸承作為支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機以及大軸等重量，可承受1180KN的連續(xù)荷載。
3運行現(xiàn)象

燈泡貫流式機組由于其結(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機組，機組穩(wěn)定性有其先天不足，故相對其它形式的機組而言，振動對其質(zhì)量的影響更為嚴重，在飛來峽水力發(fā)電廠就多次出現(xiàn)齒盤測速探頭被磨損，造成其更換頻繁，備品消耗嚴重；由于振動，多次出現(xiàn)導葉、輪葉位置傳感器電氣連接插把松動脫落而引起機組停機或甩負荷；另外，在水輪機室的噪音也特別大（有時高達110db），對運行人員身心健康不利。下面就燈泡貫流式水輪機水力振動的形成、危害、運行注意事項進行簡單分析，為機組運行和維護提供依據(jù)。
4燈泡貫流式水輪機水力振動

水力振動是機組振動的重要干擾源，就燈泡貫流式水輪機而言，水力振動主要由以下原因引起，即：渦帶振動、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
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，大致為軸向，但是，機組負荷不可能總是在設計工況運行，當負荷大于最優(yōu)工況時，水流就具有與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)分量；而負荷比最優(yōu)工況小時，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)生具有某個邊界層的旋轉(zhuǎn)渦帶。渦帶中心壓力較低，在尾水位低時，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”。在高負荷運行時（水輪機額定出力周圍），渦帶往往比較穩(wěn)定；而在低負荷運行時，渦帶成為龍卷狀，在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)擺動，從而在尾水管內(nèi)引起壓力脈動，在水輪機運行層可以聽到“空空”的聲響。其壓力脈動頻率為：
f=n /（60Z）
式中f     壓力脈動頻率（Hz）
    n     水輪機轉(zhuǎn)速（r/min）
    Z     經(jīng)驗值，一般取3~4（有時也接近于1~5）
壓力脈動的頻率和幅值是隨機組工況的變化而變化的。假若與過水系統(tǒng)水壓脈動頻率共振時，就造成水輪機整個過流系統(tǒng)的強烈水壓脈動，即尾水管、管型座和電站水工建筑物等的振動。并且會引起機組轉(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，當飛來峽電站機組處于“飛逸”泄水工況時，尾水管進口出的壓力脈動值更大，有時達到凈水頭的14%左右；此時機組的振動增大，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
卡門渦是一種渦列，當流體流過一圓柱體或板（包括一般不繞流體）時，在物體后面就會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，物體就受到與來流方向垂直的很強的交變力。這種交變力與旋渦頻率相同。其振動頻率為：
f=S_t*V/δ
式中f    振動頻率(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

這種渦列在水輪機運行中也經(jīng)常出現(xiàn)，導葉和輪葉在具有鈍尾時，就會在葉片后面出現(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，就會產(chǎn)生共振，發(fā)出葉片振動的嘯叫聲，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，在機組檢修過程中，應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，流速達到某一值，共振條件一成立，就會發(fā)生強烈的振動。所以實際水輪機在運轉(zhuǎn)時，卡門渦列引起的振動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），以供運行人員在水輪機實際運行中參考。

表1 渦帶與卡門渦列的區(qū)別

項目

類別

數(shù)學

模型

形成

部位

與水輪機工況的關(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

壓力脈動的頻率和幅值隨工況而變化

引起機組轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，難以并網(wǎng)

壓力脈動

“空空”的聲音

卡門渦列

f=s_t*v/δ

導葉、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)，形成了對轉(zhuǎn)輪室壁的周期性壓力脈動，從而產(chǎn)生振動，導致疲勞破壞。這種振動的頻率為：

f=（Z₁n）/60

式中f 壓力脈動頻率（Hz）

n 水輪機轉(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

根據(jù)運行經(jīng)驗，當轉(zhuǎn)槳式水輪機中協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確時，一方面會引起調(diào)速器系統(tǒng)持續(xù)振蕩過程變長，機組出力、轉(zhuǎn)速發(fā)生振蕩，轉(zhuǎn)動部分扭矩就會引起大軸變形，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動；另一方面，由于水流情況惡化，在水導軸承、組合軸承處引起軸向振動，對于飛來峽電站（轉(zhuǎn)輪直徑7000mm）而言，這種情況表現(xiàn)更為強烈。

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

4.5其它原因引起的振動

當水輪機汽蝕嚴重時，同時產(chǎn)生機械振動和噪音，特別是在低水頭低負荷時，轉(zhuǎn)輪葉片沖角變化較大，使葉片產(chǎn)生強烈的脫流旋渦，一方面惡化汽蝕現(xiàn)象，另一方面引起轉(zhuǎn)動部分和尾水管的振動，這種振動頻率沒有一定規(guī)律。這種振動稱之為由汽蝕引起的振動。另外，在停機或甩負荷導葉快關(guān)時的反水錘，也會引起機組振動。

5.結(jié)束語