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化成旋轉機械能的重要任務，其運行質量或損傷都將關系著整個水力發(fā)電廠的經濟性、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構特點

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)定的支撐結構。
2.2軸承
機組轉動部分為二支點雙懸臂結構，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，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。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構的特殊性，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。
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)關系不正確等。
4.1渦帶振動
根據速度三角形可以知道，由轉輪流出的水流方向，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，水流就具有與轉輪旋轉方向相反的旋轉分量；而負荷比最優(yōu)工況小時，就具有與旋轉方向同向的旋轉分量，這樣，在尾水管中心附近就產生具有某個邊界層的旋轉渦帶。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，在尾水管內旋轉擺動，從而在尾水管內引起壓力脈動，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     水輪機轉速（r/min）
    Z     經驗值，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。并且會引起機組轉速不穩(wěn)定，造成并網困難，這在飛來峽電站已經出現(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的形式交替在物體兩后側釋放出來，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，就會產生共振，發(fā)出葉片振動的嘯叫聲，使葉片與轉輪輪轂連接處（或導葉與外配、內配連接處）產生疲勞裂紋，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，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

引起機組轉速不穩(wěn)，難以并網

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，由于轉輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在輪葉外緣和轉輪室之間的狹窄縫隙（飛來峽電站葉片與轉輪室的間隙是7mm）中，形成一股射流，其速度很高而壓力非常低。在轉輪旋轉過程中，轉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)，形成了對轉輪室壁的周期性壓力脈動，從而產生振動，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 水輪機轉速（r/min）

Z₁ 葉片數(shù)目(飛來峽電站4片)

4.4協(xié)聯(lián)關系不正確引起的振動

根據運行經驗，當轉槳式水輪機中協(xié)聯(lián)關系不正確時，一方面會引起調速器系統(tǒng)持續(xù)振蕩過程變長，機組出力、轉速發(fā)生振蕩，轉動部分扭矩就會引起大軸變形，從而使轉子產生扭轉振動；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（轉輪直徑7000mm）而言，這種情況表現(xiàn)更為強烈。

同時，協(xié)聯(lián)關系不正確時，轉輪葉片不再具有無撞擊進口，水流對葉片就會產生沖擊，在不斷的調節(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，同時產生機械振動和噪音，特別是在低水頭低負荷時，轉輪葉片沖角變化較大，使葉片產生強烈的脫流旋渦，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時的反水錘，也會引起機組振動。

5.結束語