浅谈灯泡贯流式水轮机运行中的振动问题

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灯泡贯流式水轮机运行中振动问题的分析
摘要：灯泡贯流式机组，具有结构紧凑，轴向尺寸小和水力效率高，适用于水头较低、流量较大的低水头水力资源，其机组安装开挖小，建设投资少，广泛应用于具有以上特点的地区。但由于机组转动惯量小，稳定性差，相应水轮机水力振动对其影响也较大。本文结合灯泡贯流式水轮机组运行中的振动情况，对常见问题原因进行了分析。
关键词：灯泡贯流式水轮机；水力振动；协联关系；
一 概述
贯流式水轮机(灯泡贯流式、轴伸式、竖井式)广泛应用于低水头水电站开发中。灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一，该水轮机应用水头在3-25m之间，主要用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低水头电站。贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。它与中、高水头电站和低水头立轴的轴流式电站相比，具有如下显著的特点：1.效率高、结构简单、施工方便，贯流式水轮发电机组从进水到出水方向轴向贯通，不拐弯，流道尺寸大而短，过流通道的水力损失少，效率高、结构简单、施工方便。2.尺寸小，贯流式水轮机有较大的比转速，所以在水头和功率相同的条件下，贯流式水轮机的直径要比转桨式水轮机小10%左右。3.土建投资少，贯流式水电站的机组结构紧凑，与同一容量的轴流转桨式机组相比，其尺寸小，可布置在坝体内，取消了复杂的引水系统，可减少厂房的建筑面积，减少电站的开挖量和混凝土用量。据有关资料分析，土建费用可省20%～30%。4.运行方式多，由于进出水流道没有急转弯，使水轮机发电和抽水均能获得较好的水力性能，它可应用于潮汐电站，具有双向发电、双向抽水和双向泄排水等功能。5.见效快，贯流式水电站一般比轴流式水电站建设周期短、投资小、收益快、淹没移民少；电站一般靠近城镇，有利于发挥地方兴建电站的积极性。近年来灯泡贯流水轮机水轮机转轮直径已做到7．5米以上，最大工作水头达27米，机组出力直逼60MW。随着灯泡贯流式水轮机尺寸、容量的增大，其问题逐渐凸显。常见的一些问题如：机组协联运行，叶片裂纹、转轮室环筋断裂，振动和水压力脉动。这些问题在水轮机实际运行中，会损缩短机组检修周期，增加维护工作量，直接影响着整个水力发电厂的经济性、安全性及机组的使用寿命。
二 灯泡贯流式水轮机的结构特点
灯泡贯流式机组是贯流发电机组家属中最重要的一员，它与其他贯流式有一定的区别。一般情况下，它与发电机同轴连接，由于水轮机转速较低，而发电机尺寸较大，所以外壳形成灯泡状。这种机组的发电机组安装在密封的、外形酷似灯泡壳体内，水轮机安装在灯泡的插口处，因此称这种机组为灯泡贯流式水轮机。
2．1 支撑方式
内部装有水轮发电机组的灯泡体，是一个大型的薄壳外压容器，除承受水压力，机组本身的自重，水浮力、轴向水推力、发电机扭矩和温度应力等静载荷外，还承受水压脉动和机械震动（发电机径向磁拉力和转动部分振动）等动载荷，因此灯泡体的支承部件须有足够的强度和刚度。
2．2 轴承
根据容量、转速和主轴的刚度等因素，灯泡贯流机组一般采用两导轴承方案，水轮机导轴承位于转轮上游侧，发电机推力组合轴承位于发电机转子下游侧；两轴承均布置在水轮机腔内，这样可以使机组结构紧凑，缩短主轴的长度，有益于主轴的加工和安装调整，还可以避免轴承油雾对机组的污染，也为轴承的维护和检修提供了便利条件。
三、常见运行现象
灯泡贯流式机组由于其结构的特殊性，它靠管型座、灯泡头底部的主支撑以及两根斜支撑固定整个机组，机组稳定性有其先天不足，故相对其它形式的机组而言，振动对其质量的影响更为严重， 在一些发电厂就多次出现齿盘测速探头披磨损，造成其更换频繁，备品消耗严重；由于振动，多次出现导叶、轮叶位置传感器电气连接插把松动脱落而引起机组停机或甩负荷；另外，在水轮机室的噪音也特别大(有时高达110db)，对运行人员身心健康不利。下面就灯泡贯流式水轮机水力振动的形成、危害，运行注意事项进行简单分析，为机组运行和维护提供依据。
四、灯泡贯流式水轮机水力振动
灯泡贯流式水轮机的水力振动是机组振动的重要来源，就其而言，水力振动主要由以下原因引起：协联关系不正确，水力不平衡、涡带振动、卡门涡列、狭缝射流等。
4．1 协联关系不正确引起的振动
贯流转桨式水轮机导叶与桨叶之间协联关系，直接影响水轮机运行的效率和稳定性，在最优协联条件下水轮机的运行效率最高、振动最小、空蚀最轻。制造厂通过模型试验，提供协联关系，现场运行的贯流转桨式水轮机就是根据制造厂提供的协联关系进行调节整定的。所以当工况发生变化时贯流转桨式水轮机能在相当大的变工况范围内仍保持高效率，使转轮叶片进口水流无撞击或撞击很小，出口水流为法向或接近法向，保持最优或接近最优的能量转换状态，将汽蚀和振动降低到最低程度，转轮的水力损失很小。但是，当这种协联关系不正确或被破坏时，一方面会引起调速器系统持续振荡过程变长，机组出力、转速发生振荡，转动部分的扭矩就会引起大轴变形，从而使转子产生扭转振动；另一方面，由于水流情况恶化，在水导轴承、组合轴承处引起轴向振动，同时，协联关系不正确时，转轮叶片不再具有无撞击进口，水流对叶片就会产生冲击，在不断的调节过程中，由于冲角随时在变化，作用在叶片上的水流及由此而产生的叶片扭矩、变形等也相应变化，这些变化过程就是产生振动的成因。
4．2 水力不平衡
水轮机转轮偏心、导叶开度不一致、桨叶开度不均匀或型线变坏，使得流人转轮的水流轴向不对称而产生径向力，还有对于贯流式机组这种卧式布置的机组，转轮上下叶片本身就存在一定的静水压差(立式机组不存在这种问题)，其压差与转轮直径有关，直径越大压差就越大，这也直接影响进人转轮水流的水力平衡，从而引起转轮及大轴的摆动。这种由于水力不平衡原因产生的水力振动在各水电站也不同程度的存在，如在水导轴承处大轴摆度随着负荷增大而增大造成的振动。
4．3涡带振动
由速度三角形可以知道，由转轮流出的水流方向，在最优工况时，大致为轴向，但是，机组负荷不可能总是在设计工况运行，当负荷大于最优工况时，水流就具有与转轮旋转方向相反的旋转分量；而负荷比最优工况小时，就具有与旋转方向同向的旋转分量，这样，在尾水管中心附近就产生具有某个边界层的旋转涡带。涡带中心压力较低，在尾水位低时，其中心部分压力更低，形成汽蚀，这就是一般称为的“空腔汽蚀”。在高负荷运行时(水轮机额定出力周围)，涡带往往比较稳定；而在低负荷运行时，涡带成为龙卷状，在尾水管内旋转摆动，从而在尾水管内引起压力脉动，在水轮机运行层可以听到“空空”的声响。其压力脉动的频率和幅值是随机组工况的变化而变化的。假若与过水系统水压脉动频率共振时，就造成水轮机整个过流系统的强烈水压脉动，即尾水管、管型座和电站水工建筑物等的振动，并且会引起机组转速不稳定，造成并网困难，这在有些电站已经出现过。另外，当电站机组处于“飞逸” 泄水工况时，尾水管进口出的压力脉动值更大，有时达到净水头的1 4％ 左右；此时机组的振动增大，引起的噪音也随之增加(高大1 1 0分贝左右)。
4．4卡门涡列引起的振动
卡门涡是一种涡列，当流体流过一圆柱体或板时，在物体后面就会沿着两条互相平行的直线产生一系列相隔一定距离的单涡。这一系列单涡称之为卡门涡列。各个单涡以相反的旋转的形式交替在物体两后侧释放出来，与此同时，物体就受到与来流方向垂直的很强的交变力。这种交变力与旋涡频率相同，而且这种涡列在水轮机运行中也经常出现，导叶和轮叶在具有钝尾时，就会在叶片后面出现卡门涡列，产生作用在叶片尾部的交变力。假若交变力的频率与叶片固有频率相等时，就会产生共振，发出叶片振动的啸叫声，使叶片与转轮轮毂连接处产生疲劳裂纹。涡带和卡门涡列是有区别的，涡带形成部位在尾水管中部附近，压力脉动的频率和幅值随工况变化而变化，引起机组转速不稳，难以并网，或并网后引起出力摆动，作用在尾水管上的压力脉动频率低而能量很大，发出的声音比较沉闷；而卡门涡列的形成是在一定工况下产生，并以交变力的形式作用在导叶、桨叶等过流部件上，使其产生疲劳破坏，卡门涡列引发的振动频率很高，同时发出尖锐的啸叫声。
4．5 狭缝射流
在灯泡贯流式水轮机中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在桨叶外缘和转轮室之间的狭窄缝隙中，形成一股射流，其速度很高而压力非常低。在转轮旋转过程中，转轮室壁的某一部分在叶片达到的瞬间，间隙最小，压力最低；而在轮叶离去后又处于高压，如此循环，形成了对转轮室壁的周期性压力脉动，从而产生振动，导致疲劳破坏。
五、其它原因引起的振动
当水轮机汽蚀严重时，同时产生机械振动和噪音，特别是在低水头低负荷时，转轮叶片冲角变化较大，使叶片产生强烈的脱流旋涡，一方面恶化汽蚀现象， 另一方面引起转动部分和尾水管的振动，这种振动频率没有一定规律。这种振动称之为由汽蚀引起的振动。另外，在停机或甩负荷导叶快关时的反水锤，也会引起机组振动。
六、结束语
我国富源辽阔，低水头资源相当丰富，灯泡贯流式机组作为开发低水头资源的既经济又适用的主导机型，已在国内外广泛应用，但其水力振动和噪音普遍偏大，如何减少机组振动和噪音，是设计人员、科研工作者以及现场运行人员应当综合考虑的问题。
张毅鹏 学号 122085206012   动力工程