水利工程論文-燈泡貫流式水輪機水力振動的形成及其影響.doc

水利工程論文-燈泡貫流式水輪機水力振動的形成及其影響摘要：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(yīng)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)鍵詞：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(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(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著將水流機械能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)機械能的重要任務(wù)，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(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，作為運行檢修人員的上下通道。在燈泡頭的低部設(shè)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(shè)有發(fā)電機組合軸承和水導(dǎo)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(dǎo)軸承組成；水導(dǎo)軸承在水輪機大軸密封的上游側(cè)。在飛來峽電站設(shè)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(fù)荷；發(fā)導(dǎo)和水導(dǎo)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(yán)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(yán)重；由于振動，多次出現(xiàn)導(dǎo)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(fù)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(fù)荷不可能總是在設(shè)計工況運行，當(dāng)負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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34（有時也接近于15）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(dāng)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(dāng)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=St*V/式中f振動頻率(Hz)St斯特雷哈系數(shù)（一般取0.15-0.2）V繞流流速(m/s)圓柱體直徑或板厚(m)V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(dǎo)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(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(xué)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=st*v/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