混流式水力機組減振探討論文

　　摘要：水輪發(fā)電機組在運行中的振動是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設計、制造、安裝、檢修、運行等多方面的原因。但劇烈的振動可能導致水力機組結(jié)構(gòu)破壞、降低運行效率和機組出力。異常振動一旦發(fā)生，小則產(chǎn)生噪音，大則危及安全，造成事故，給電廠帶來巨大的損失。

　　關鍵詞：水力機組 減振 探討 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　水輪發(fā)電機組在運行中的振動是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設計、制造、安裝、檢修、運行等多方面的原因。但劇烈的振動可能導致水力機組結(jié)構(gòu)破壞、降低運行效率和機組出力。異常振動一旦發(fā)生，小則產(chǎn)生噪音，大則危及安全，造成事故，給電廠帶來巨大的損失。

　　隨著機組尺寸的增大，機組部件的相對剛度減弱，固有頻率降低，增加了發(fā)生局部共振的可能性。近年來，國內(nèi)一些大型機組頻頻出現(xiàn)振動，如巖灘、東江、五強溪、烏江渡等大型電站都有不同程度的振動，以至于對機組的運行構(gòu)成了危害和限制，即使是我國正在建設的舉世矚目的三峽機組也面臨著穩(wěn)定性的嚴峻挑戰(zhàn)。所以，對水力機組振動問題進行研究具有十分重要的意義。

　　1基本概念

　　1．1 機組振動的原因

　　各種干擾力對水輪機的作用是使水輪機產(chǎn)生振動的主要原因。水輪機的振動可分為水力振動、機械振動和電磁振動。

　　a．水力振動：引起水力振動的原因有流道中水流的不均勻，卡門渦列誘發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片振動、迷宮間隙不均產(chǎn)生的振動、尾水管中渦帶引起的低頻振動等。

　　b．機械振動：機械振動主要是由于水輪機和發(fā)電機的結(jié)構(gòu)不良或制造、安裝質(zhì)量較差造成的，如軸線曲折、傾斜，推力軸承安裝不良以及導軸承間隙過大等。均能引起機械振動。

　　c．電磁振動：電磁振動主要是由于水輪發(fā)電機設計不合理或制造、安裝質(zhì)量不良以及轉(zhuǎn)子匝間短路等所產(chǎn)生的不平衡電磁力造成的。

　　1．2 減振的方法

　　a．消振：即消除或減弱振源，這是治本的方法。

　　b．隔振：在振源與受控對象之間加1個子系統(tǒng)稱之為隔振器，用它減小受控對象對振源激勵的響應。

　　c．吸振：又稱動力吸振。在受控對象上附加1個子系統(tǒng)，用它產(chǎn)生吸振力以減小受控對象對振源激勵的響應。

　　d．阻振：又稱阻尼減振。在受控對象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗能量而使響應減小。

　　e．結(jié)構(gòu)修改：通過修改受控對象的某些參數(shù)使振動滿足預定的要求。

　　2減振的措施

　　2．1 減小卡門渦振

　　卡門渦主要出現(xiàn)在導葉和葉片的出水邊，它的頻率是以比較單純的噪聲形式表現(xiàn)出來，其頻率計算式為f＝sv／d（s為斯特努哈數(shù)；d為葉片尾部脫流厚度；v為流速）。故在設計轉(zhuǎn)輪、葉片或?qū)�葉時，要求機組及零部件的固有頻率避開卡門渦頻率，或選用在生產(chǎn)實踐和試驗研究證明是較好的葉型，而對于以投產(chǎn)運行的機組，則只能采取下列措施：

　　a．避開共振流速運行；

　　b．修改葉片的形狀；

　　c．改變?nèi)~片的剛度。

　　如浙江省黃壇口水電站的4臺HL310－LJ－230水輪機轉(zhuǎn)輪，渦列頻率與轉(zhuǎn)輪葉片長期處于共振頻率下運行，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14根38×4的無縫鋼管撐筋，增加了轉(zhuǎn)輪葉片的固有頻率。這樣一來，共振現(xiàn)象消失。

　　2．2 混流式水輪機組迷宮止漏環(huán)的減振

　　機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子迷宮環(huán)加工不圓、機組吊裝時轉(zhuǎn)軸不對中等都會使運行中出現(xiàn)迷宮間隙不均勻，產(chǎn)生不平衡的側(cè)向力，激發(fā)機組的自激振動，特別是混流式水輪發(fā)電機組，其止漏裝置相對比較復雜，間隙一般也較小，很容易在間隙中造成較大的壓力脈動。

　　對迷宮止漏環(huán)的振動，可用以下方法減振：

　　a．向背面空腔補壓縮空氣。由于空氣具有可壓縮的特性，它使邊緣間隙的流速減小，從而使振動減小，甚至消除。土耳其卡拉喬侖電廠就成功地使用了該方法，具體措施是：用一根20的管子接頂蓋補氣孔，另一端用膠皮管與空壓機相連，在自激振動區(qū)從頂蓋向水輪機補壓縮空氣，氣壓為0．4MPa。頂蓋強迫補氣后，振動立刻大幅度減小，自激振動消失。

　　b．擴大外迷宮間隙。擴大外迷宮間隙相當于增加密封間隙處的流量，從而引起背面空腔內(nèi)水流流態(tài)的變化，起到消除振動的作用。迷宮間隙的擴大還使得轉(zhuǎn)輪的偏心相對減小，不平衡力相對減小。一般迷宮間隙δ＝0．1％～0．2％轉(zhuǎn)輪直徑較合適。四川省漁子溪電站四號機組也出現(xiàn)過下梳齒迷宮不均勻水流所激發(fā)的振動。將轉(zhuǎn)輪上冠與下環(huán)進口處的間隙由原來1mm車削至2．5mm；支撐環(huán)（基礎環(huán)）過水部分車削掉20mm，其它部分車光滑，在過水面上鉆40孔20個，使內(nèi)外壓力相同后，異常振動問題得到解決。

　　c．改變迷宮結(jié)構(gòu)。將下梳齒改為階梯式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的不平衡力雖然較大，但作用力方向與偏心方向相反，有利于機組穩(wěn)定運行。將梳齒高度縮短、減小梳齒半徑，這樣可減小承受不平衡力的面積，從而起到減小不平衡力的作用。

　　d．在轉(zhuǎn)輪下腔增設均壓管，以均衡下腔水壓力。在轉(zhuǎn)輪下腔的下支持環(huán)上開孔，也可起到均壓作用，從而減小壓力脈動。

　　2．3 消除尾水管渦帶引起的振動

　　水輪機在部分負荷（一般為滿負荷的40％～75％）運行時，尾水管內(nèi)由于復雜的渦旋運動，而出現(xiàn)渦帶的大幅度振擺，從而引起尾水管壁及轉(zhuǎn)輪的劇烈振動，嚴重時甚至可能造成引水管和廠房的共振。

　　減少已存在的脈動，可以使用以下幾種措施：

　　a．正確選擇尾水管內(nèi)的流速分布，并使水流進入肘管和喉部以前，降低錐管段的流速是很重要的，建議所有機組尾水管喉部的流速不得超過3．5m／s。這樣將使轉(zhuǎn)輪出口流速在進入尾水管錐段時急劇降低，從而導致尾水管中心部分壓力增加，同時也就減小渦旋強度和轉(zhuǎn)輪葉片下面所造成的渦帶大小，減小了尾水管中的壓力脈動。

　　b．改變?yōu)a水錐或尾水管的結(jié)構(gòu)。

　　加長瀉水錐，拜德埃斯普瓦電站將轉(zhuǎn)輪瀉水錐伸出轉(zhuǎn)輪底部約600 mm，使其處于渦帶的低壓真空處。經(jīng)改裝后，所有機組運行穩(wěn)定。

　　加長尾水管錐段，加長錐管和加大擴散角、支墩盡量靠近下游側(cè)，都可以增加尾水管的效率和穩(wěn)定性。

　　加大尾水管錐角，尾水管錐角擴大后，尾水管的渦帶剛剛形成即擴散消失，不能形成長尾水渦帶，撞擊管壁。所以尾水管相對振幅較小。

　　c．裝設導流裝置

　　十字架減振裝置可使高負荷工況時的渦帶脈動值降低70％，此法在努列克9臺機組上得到實施，使水輪機出力增加9．6％。

　　在尾水管上裝設同軸擴散管，可以控制渦帶偏心距，使尾水管更加穩(wěn)定，防止尾水渦帶的旋進運動。同軸擴散管也可以以同軸導流片代替，導流片的大小、安放位置、距轉(zhuǎn)輪遠近等因素對消除渦振的效果都有明顯的影響。

　　翼形穩(wěn)流裝置是一項改善穩(wěn)定性效果很好的措施，其原理是在尾水管內(nèi)裝設翼形穩(wěn)流裝置組成的葉柵。當水流澆流葉柵時，改變流動方向，達到減小平均速度矩，降低壓力脈動的目的。

　　d．補氣

　　依據(jù)國內(nèi)外有關水壓脈動及補氣資料分析，在中、高水頭的水輪機中，當轉(zhuǎn)輪直徑D1＞4 m，相對振幅大于3％～5％，水壓脈動絕對值大于50 kPa時，應進行補氣以消除水壓脈動。獨聯(lián)體在許多水電站上進行了最小補氣研究。已查明，為了保證混流式水輪機在低負荷工況（15％～40％負荷）下穩(wěn)定運行，必要的補氣量為額定出力下水流量的0．8％～1．2％；在中負荷工況（50％～70％負荷）下為0．1％～0．3％。

　　當轉(zhuǎn)輪相對下游水位的埋入深度不超過6～7 m時，則可通過轉(zhuǎn)輪中心孔和轉(zhuǎn)輪瀉水錐實現(xiàn)自然補氣，這已在獨聯(lián)體多個中、低水頭混流式水輪機上采用。

　　2．4 機械原因引起的振動

　　減小機械原因引起的振動一般要注意以下幾點：

　　a．提高制造和安裝精度；

　　b．防止推力頭松動。推力頭是推力軸承關鍵而重要的零件之一，要求它與軸頸配合后不允許有任何的松動產(chǎn)生。推力頭松動后將嚴重威脅機組運行的穩(wěn)定性。

　　如我國廣東某電站，3臺機在首次裝配時均將推力頭經(jīng)過預熱進行套裝，而在檢修時均取消了這一工序。運行時間增長，松動情況越來越嚴重。其中以3號機組最為突出，上機架水平振動大至0．095mm（要求≤0．06 mm），勵磁機火花嚴重，機組被迫停機檢修。

　　用收緊對稱方向上的螺帽拆裝推力頭的傳統(tǒng)人工機械方法，是加速推力頭磨損的主要因素。建議采用油壓千斤頂拆裝推力頭，這樣可以減輕推力頭拆裝過程的磨損。

　　推力頭套裝前，配合面應涂防腐性強的物質(zhì)，如石墨粉或二硫化鉬潤滑劑等，避免表面腐蝕破壞。

　　2．5 減小電氣原因產(chǎn)生的振動

　　a．避免超／次諧波共振

　　水輪發(fā)電機轉(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)當臨界轉(zhuǎn)速接近于2倍或3倍工作轉(zhuǎn)速時，會出現(xiàn)超諧波共振；對于特殊要求的水輪機組，若設計臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，則當臨界轉(zhuǎn)速接近于1／2倍或1／3倍工作轉(zhuǎn)速時，會出現(xiàn)次諧波共振。以上兩種情況在機組設計中應予以避免。

　　b．定子鐵芯組合縫的松動。機組長期運行，由于定子鐵芯各部件溫度變化差異引起內(nèi)應力的變化不同，引起定子鐵芯組合縫松緊度產(chǎn)生不均勻變化，從而造成組合縫的墊片損壞和松動。處理的辦法是：用電鉆鉆開，分解定子組合縫，刮掉并清洗原有墊片，重新加墊。加墊厚度視檢查合縫面間隙大小而定，一般墊片厚度比合縫間隙大0．2～0．4 mm，個別情況也可大到0．6 mm。為使鐵心的合縫面緊密貼合，可采用有機玻璃合縫面墊片和環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。

　　c．定子鐵芯松動。定子鐵芯松動是指定子鐵芯迭片松動，片與片之間產(chǎn)生間隙。運行中常見的鐵芯松動發(fā)生在鐵芯根部、齒壓板壓指、邊段鐵芯以及合縫鐵芯處。

　　定子鐵芯松動處理，一般是鏟掉壓緊螺栓的點焊，將定子鐵芯硅鋼片壓緊，緊固壓緊螺栓和頂緊螺絲。為了預防定子鐵芯的振動，可將裝配好的鐵芯預拉，當發(fā)電機帶勵磁時，隨著鐵芯溫度升高預拉應力將降低，或變?yōu)榱�，甚至改變應力方向，這樣能從根本上防止在鐵芯中形成波浪度。

　　鐵芯預拉可有2種方法：一是在機座承受預壓的情況下進行鐵芯迭片的組裝，組裝后再除掉預壓應力；二是對機組裝好的鐵芯，給予預拉伸后固定在機座上。

　　3 機組減振的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　3．1 水輪機軸承的結(jié)構(gòu)

　　水輪機軸承的主要作用是固定機組的軸線位置，承受由水輪機主軸傳來的徑向力和振動力。從改善軸承受力條件出發(fā)，軸承位置應盡可能接近轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪對軸承位置的懸臂最短，這樣可使水輪機工作更穩(wěn)定且軸承本身的工作條件更好。

　　水輪機軸承的結(jié)構(gòu)型式很多，但從機組減振的角度來考慮，應優(yōu)先選用水潤滑的橡膠軸承。該軸承的軸承體上鑲有6～12塊橡膠軸瓦，用螺釘固定在軸承座上，橡膠能對機組的振動起吸振作用，且橡膠軸瓦磨損后可在背面加墊調(diào)整，或者完全更換。橡膠軸承下部不布置密封裝置，軸承可以盡量靠近水輪機轉(zhuǎn)輪，這樣便提高了運行的穩(wěn)定性。

　　3．2 機墩的形式和布置

　　發(fā)電機機墩為發(fā)電機的支撐結(jié)構(gòu)，一般用鋼筋混凝土建造。由于機墩要承受發(fā)電機傳來的動荷載和靜荷載，故機墩的設計除考慮靜荷載引起的應力外，還應考慮動荷產(chǎn)生的扭矩、振幅，且機墩設計應以承受動荷為主，它產(chǎn)生的扭矩往往是主要荷載。機墩有4種型式：圓筒式、環(huán)形梁式、矮機墩及構(gòu)架式機墩。其中圓筒式機墩與其它幾種型式的機墩比較，其優(yōu)點是剛度大，抗扭振性能好。

　　圓筒式機墩的風罩與發(fā)電機樓板連接方式有整體式、簡支式、分離式3種。

　　整體式的型式可增加機墩的抗扭、抗水平力的剛度，但機墩振動較厲害時，易使樓板連同機墩一起振動，影響樓板上儀表的監(jiān)測，而且因機墩混凝土的收縮易使樓板產(chǎn)生裂縫。

　　而布置簡支式的機墩可避免樓板連帶的振動，且可在支座處設置彈性防振墊層，起到隔振作用。故應優(yōu)先選用簡支式連接方式的圓筒式機墩。

　　3．3 合理設計轉(zhuǎn)輪

　　轉(zhuǎn)輪設計的好壞直接影響水輪機的性能，如尾水管的渦帶源于轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量，合理設計轉(zhuǎn)輪和流道，就有可能使轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定運行區(qū)域增加和更加趨于合理。

　　在轉(zhuǎn)輪設計中，傳統(tǒng)的方法經(jīng)驗因素占主導地位，設計結(jié)果具有一定的偶然性，往往要預先制造多個轉(zhuǎn)輪來從中選擇。因為在設計轉(zhuǎn)輪時，以轉(zhuǎn)輪前的來流為均勻來流進行轉(zhuǎn)輪設計，然而不均勻來流才符合轉(zhuǎn)輪前來流的真實情況。所以，比照傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪，按不均勻來流方法設計轉(zhuǎn)輪，采用流線改型法。在流線改型設計時考慮到強度問題，可對流面翼型進行加厚處理，以滿足強度要求。這樣設計出的轉(zhuǎn)輪壓力脈動較低，且效率高。目前已設計出的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪有A616型轉(zhuǎn)輪和A643型轉(zhuǎn)輪。

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