大型水電機(jī)組的共振與噪聲問題研究

1、大型水電機(jī)組的共振與噪聲問題研究大型水電機(jī)組的共振與噪聲問題研究引言共振是指機(jī)械系統(tǒng)所受鼓勵(lì)的頻率與該系統(tǒng)的某階固有頻率相接近時(shí)，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象。共振時(shí)，鼓勵(lì)輸入機(jī)械系統(tǒng)的能量最大，系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的振型稱為位移共振。當(dāng)前水輪發(fā)電機(jī)組朝著大型化開展，由設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行帶來的問題，以及設(shè)備部件的相對(duì)剛度減弱，降低了機(jī)組的固有頻率，在外力作用下完全有可能誘發(fā)機(jī)組局部或整體共振。比方尾水管內(nèi)強(qiáng)大的壓力脈動(dòng)和空腔脫流容易造成機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至使泄水錐脫落和葉片出現(xiàn)裂紋。復(fù)雜的運(yùn)行工況使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口環(huán)量變化異常，高負(fù)荷沖擊擾動(dòng)區(qū)、低負(fù)荷振動(dòng)區(qū)和補(bǔ)氣區(qū)的頻頻出現(xiàn)，使機(jī)組軸系的運(yùn)行狀況急劇惡化

2、。近年來，一些大型水輪發(fā)電機(jī)組，如大古力、隔河巖、二灘、小浪底、五強(qiáng)溪等大型機(jī)組都存在不同程度的振動(dòng)問題，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。2022年8月17日，俄羅斯薩揚(yáng)水電站1發(fā)生了嚴(yán)重的平安事故，水電站2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子連同其上蓋一同射出，并擊穿其上的混凝土層，飛至水電機(jī)組上層地面見圖1，事故共造成88人死亡。而引起事故的原因就是在非有利區(qū)域運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)劇烈，噪聲刺耳，而沒能立即卸載停機(jī)，從而造成水輪機(jī)頂蓋固定螺栓被拉斷，在水壓力作用下機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部份帶著水輪機(jī)頂蓋及上機(jī)架向上彈射，導(dǎo)致事故發(fā)生?；炝魇剿姍C(jī)組的構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖2所示。1水力因素引起的共振和噪聲尾水管中水力不穩(wěn)定現(xiàn)象2主要是指尾水管中的水壓周

3、期性的變化，壓力脈動(dòng)作用于機(jī)組和根底上，就引起振動(dòng)、噪音和出力波動(dòng)，同時(shí)它對(duì)尾水管有相當(dāng)大的破壞作用。這種情況一般發(fā)生在非設(shè)計(jì)工況下，水流在尾水管進(jìn)口有一個(gè)圓周分量，形成旋流，當(dāng)此分量達(dá)一定值時(shí)，便在尾水管中出現(xiàn)渦帶，使尾水管的水流發(fā)生周期性的變化，引起水壓脈動(dòng)和管壁可以看作一個(gè)彈性體振動(dòng)。當(dāng)水輪機(jī)和管道的自振頻率與壓力脈動(dòng)頻率一樣時(shí)，便發(fā)生共振。例如廣東梅州清涼山水電站壓力鋼管自振頻率為3.7Hz，尾水管壓力脈動(dòng)的基頻為3.5Hz，這二者很接近，鋼管發(fā)生共振的機(jī)率較大。廣西某大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組主軸系統(tǒng)的第一階固有頻率為：1=2.22Hz，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)的本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理

4、鼓勵(lì)頻率為：2=0.3Hz，水力不平衡力的鼓勵(lì)頻率為：3=2.5Hz，這樣就滿足：3-21，從而出現(xiàn)組合共振現(xiàn)象，并導(dǎo)致主軸系統(tǒng)產(chǎn)生較大的共振噪聲。對(duì)此，有效地解決方法就是在尾水管上安裝補(bǔ)氣管，或在尾水管水流方向上安裝固定翹片。水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)導(dǎo)葉的水流，絕大局部通過轉(zhuǎn)輪流向尾水管，但也有一小局部通過轉(zhuǎn)輪上、下迷宮裝置間接漏向尾水管，這局部水流在一定的條件下能產(chǎn)生頂蓋下至尾水管間的水力諧振或水力自激振動(dòng)。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在頂蓋下即轉(zhuǎn)輪上腔、尾水管、蝸殼以及鋼管內(nèi)都將產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)。例如天生橋水電站3號(hào)機(jī)在2002年5月大修檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)尾水管彎管段產(chǎn)生環(huán)狀裂縫，其主要原因?yàn)榈皖l水壓脈動(dòng)

5、激起尾水管壁振動(dòng)，當(dāng)其振動(dòng)頻率接近尾水管的固有頻率產(chǎn)生共振時(shí)，造成尾水管壁產(chǎn)生裂縫。當(dāng)流體繞過物體時(shí)，在其后面的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)那么交織排列的線渦，進(jìn)而互相干擾、互相吸引，俗稱卡門渦列，而物體那么受到與流動(dòng)方向相垂直的交變力。當(dāng)卡門渦列的沖擊頻率接近于水輪機(jī)葉片的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振，并拌有較強(qiáng)的且頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲?？ㄩT渦列主要出如今導(dǎo)葉和葉片的出水邊，它的頻率是以比較單純的噪聲形式表現(xiàn)出來，其頻率計(jì)算式為其中：s為斯特努哈數(shù)；d為葉片尾部脫流厚度；v為流速。故在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪、葉片或?qū)~時(shí)，要求機(jī)組及零部件的固有頻率避開卡門渦列頻率，或選用較好的葉型，而對(duì)于以投

6、產(chǎn)運(yùn)行的機(jī)組，那么要避開共振流速運(yùn)行，修改葉片的形狀或改變?nèi)~片的剛度。如浙江省黃壇口水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，渦列頻率與轉(zhuǎn)輪葉片長(zhǎng)期處于共振頻率下運(yùn)行，使葉片產(chǎn)生疲勞裂紋。采用修整葉片出水邊厚度和形狀的方法，改變了卡門渦列產(chǎn)生的干擾頻率；在轉(zhuǎn)輪靠上根部葉片出水邊附近的葉片之間加焊了無縫鋼管撐筋，進(jìn)步了轉(zhuǎn)輪葉片的固有頻率。這樣一來，共振現(xiàn)象就消失了。2水力原因引起機(jī)組的抬機(jī)現(xiàn)象抬機(jī)現(xiàn)象是指在發(fā)電機(jī)停機(jī)關(guān)閉導(dǎo)葉后，由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上方壓力迅速下降，所導(dǎo)致的尾水管中水體回流將機(jī)組向上抬起的現(xiàn)象。三峽水電站某機(jī)組3的抬機(jī)作用的頻率為1=3.62Hz，蝸殼中水力不均勻的激振頻率為2=18.75Hz，導(dǎo)葉開度引起的

7、水流不均勻的激振頻率為3=27.5Hz。水輪機(jī)處受到水力的影響，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子那么要受到電磁力的影響，其豎向電磁力的公式為：水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在大多情況下均高于其工作轉(zhuǎn)速，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于2倍或3倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超諧波共振；對(duì)于特殊要求的水輪機(jī)組，假設(shè)設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，那么當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于1/2倍或1/3倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)亞諧波共振。以上兩種情況在機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)予以防止。以五強(qiáng)溪水電站4號(hào)機(jī)組為例4，其根本數(shù)據(jù)如下：額定功率：240VA，額定電壓：15.75KV，額定電流：9815.7A50Hz，定子轉(zhuǎn)子間平均氣隙：0.02，轉(zhuǎn)子有效長(zhǎng)度：1.99，額定轉(zhuǎn)速：68.1

8、8r/in，轉(zhuǎn)子平均半徑：8.29，極對(duì)數(shù)：p=44，軸系總長(zhǎng)：21.5，轉(zhuǎn)子質(zhì)量：8.55105kg，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪質(zhì)量：2.852105kg，上導(dǎo)支承剛度為：1.0109N/，下導(dǎo)支承剛度為：1.667109N/。筆者用有限元法計(jì)算了軸系橫向振動(dòng)的動(dòng)態(tài)固有頻率和振型5，計(jì)算時(shí)考慮了陀螺力矩、剪力、磁拉力和水的附加質(zhì)量，得到橫向振動(dòng)第一階固有頻率分別為：f1=3.56Hz。在不平衡電磁力中含有轉(zhuǎn)頻=1.136Hz和2倍轉(zhuǎn)頻的成分，它們會(huì)組合成3=3.4Hz，這個(gè)值和軸系的第一階固有頻率很接近，即：+2f1，所以在不平衡電磁力激發(fā)下很可能發(fā)生組合強(qiáng)迫共振。筆者同樣用有限元法計(jì)算了軸系改變振動(dòng)的動(dòng)態(tài)

9、固有頻率和振型6，考慮了轉(zhuǎn)子支架的彈性和水輪機(jī)的彈性，并將轉(zhuǎn)輪里的水質(zhì)量進(jìn)展了適當(dāng)?shù)目紤]，得到了前三階扭振頻率為：9.061Hz，101.182Hz，122.805Hz，而在交變電磁轉(zhuǎn)矩作用下整體轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為：0=1.325Hz。由于電磁轉(zhuǎn)矩含有轉(zhuǎn)頻=1.136Hz的成分，它和整體轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率0很接近，-00，容易引起強(qiáng)迫共振。當(dāng)兩相線間短路時(shí)，定子負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序磁場(chǎng)會(huì)在勵(lì)磁繞組里感應(yīng)出一個(gè)頻率為2=100Hz的交流電流，它和軸系第二階扭振頻率101.182Hz很接近，即：2-20，也會(huì)引起強(qiáng)迫共振。4廠房的共振水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)是非常復(fù)雜的，一般情況下水流、機(jī)械、電磁多種誘因同時(shí)存在，機(jī)組

10、與廠房構(gòu)造龐大，互相耦合。所以要單一地確定每種頻率成分的產(chǎn)生原因是不可能的，只能根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)測(cè)情況對(duì)眾多頻率成分進(jìn)展大致的分類，并確定優(yōu)勢(shì)振動(dòng)頻率。位于唐山市北部遵化縣境內(nèi)的潘家口水電站1號(hào)機(jī)組，近年來多在高水頭范圍內(nèi)運(yùn)行，偏離水輪機(jī)最優(yōu)工況，因此機(jī)組振動(dòng)、噪聲嚴(yán)重，難以穩(wěn)定運(yùn)行，并屢次造成尾水管、減壓板等部件損壞。筆者曾屢次到該水電站調(diào)研，在廠房?jī)?nèi)明顯感覺到地板顫抖，隔著23說話根本聽不清，有時(shí)甚至離著電站數(shù)公里都能聽到機(jī)組的噪聲。一般情況下，無論機(jī)組還是廠房構(gòu)造的振動(dòng)均隨著負(fù)荷的增大逐漸減小，各部位低負(fù)荷工況的振動(dòng)較為強(qiáng)烈。機(jī)組的振動(dòng)測(cè)試能反映廠房振動(dòng)的某些規(guī)律，但廠房構(gòu)造振動(dòng)與其自身構(gòu)造型式、剛度和材料等因素親密相關(guān)，所以有其自身的振動(dòng)特性。要解決這類問題，還得綜合考慮，確定主振源，并對(duì)此進(jìn)展有效控制。5完畢語通過以上的分析，我們總結(jié)解決水電機(jī)組共振及噪聲的方法如下：1向尾水管補(bǔ)氣。我國(guó)獅子灘、石龍壩、拓溪、大伙房等電站加裝尾水管補(bǔ)氣后，對(duì)消除共振及出力擺動(dòng)有明顯的效果，潘家口電站機(jī)組采取強(qiáng)迫補(bǔ)氣解決了噪聲過大以及水輪