灯泡贯流式水轮发电机组的振动与振动区的界定_冯国柱.pdf
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1、5第 46 卷 第 02 期2023 年 02 月Vol.46No.02Feb.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation0 引言常见的灯泡贯流式水轮发电机组,其整体结构形似灯泡体,主要受力的部件是埋入部分和固定部分。埋入部件主要有管型座和尾水管;固定部件主要有转轮室、伸缩节、导水机构、轴承等。管型座为主要支撑,灯泡头下端和两侧设有辅助支撑,所有支撑将机组的受力传递到厂房的基础部分。而轴系支撑大部分以两导结构为主,设有发电机组合轴承和水导轴承,承受发电机转子、水轮机以及大轴等重量。转轮室是能量转换的部位,
2、布置在水轮机竖井,整体呈悬臂结构。和其他水轮发电机组一样,运行时产生的振动主要由水力、机械、电磁原因引起,正常范围内的振动不会对机组产生不良影响。但是异常、幅值较大的振动,会不利机组的正常运行或引发机组和厂房的损坏。因此,对机组的振动特性进行测试、分析,界定机组全水头振动区的工作,有利于掌握机组运行特性,指导机组在安全性基础上稳定运行。1 灯泡贯流式水轮发电机组的振动1.1 水力激振力(1)偏离最优工况由于导叶桨叶的协联关系不匹配、导叶开度过小、导叶开度过大、尾水位过低等偏离最优工况条件下导致的振动,是常见的水力振动。机组的协联关系不匹配通常是由于水轮机模型试验数据不准确、协联转角数据与接力器
3、开度数据换算错误、调速器协联数据写入错误、原始协联数据密度不足而使用插值计算产生的误差等原因造成。机组的协联关系不匹配,会使叶片的进口水流产生冲角,对叶片造成水流冲击,进而造成主要以水导轴承、转轮室处为主的异常振动。导叶开度过小,即小开度区,通常是指在不同运行水头下,机组还未进入当前水头下的协联工况时,水轮机内部的压力脉动主要受到叶片通过频率(叶片数与机组一倍转动频率的乘积)以及低频脉动(涡带脉动)的影响。而叶片通过频率的影响实际上也是一种动静干涉,这部分内容会在下文详细说明。导叶开度过大,即大开度区,是指导叶开度90%100%的工况范围。多数出现在水轮机运行水头低于额定水头的情况下。在这种情
4、况下,机组的导叶开度可以达到 90%100%,其产生的振动是在水轮机偏离最优工况比较远时产生的。在大开度区,桨叶开度早已达到最大,而导叶开度的不断增大,使得叶片进口水流冲角变化,当冲角超过一定值时,就会在叶片产生水流冲击,大开度的影响实际上也是一种协联不匹配的影响。在真机振动测试过程中,大部分机组的协联关系都是在导叶开度接近 90%收稿日期:2022-08-05作者简介:冯国柱(1982-),男,工程师,从事水轮发电机组测试研究工作。灯泡贯流式水轮发电机组的振动与振动区的界定冯国柱(大唐水电科学技术研究院有限公司,广西 南宁 530031)摘 要:水力激振力是引起灯泡贯流式水轮发电机组振动的主
5、要原因,本文主要从水力不平衡、水轮机偏离最优工况、涡带、动静干涉、卡门涡以及狭缝射流 6 个方面原因对机组的振动进行分析。对机组振动区的测试和界定工作,依据主要的国标、行标,总结了测试方法和界定振动区的经验方法。关键词:灯泡贯流式水轮机组;振动分析;振动区测试;振动区界定中图分类号:TK733.8文献标识码:A文章编号:1672-5387(2023)02-0005-04DOI:10.13599/ki.11-5130.2023.02.0026第 46 卷水 电 站 机 电 技 术时轮叶就已达到满开度,所以在继续增加导叶开度时,机组的水导摆度、水导轴承座的振动、转轮室振动、机组噪声等都有一个明显增
6、大的趋势。还存在由于某些原因,电站的下游水位降低较多,导致了水轮机运行水头增大,引起水轮机空蚀余量减小,容易产生空蚀,振动加剧。而进水口拦污栅的堵塞作为贯流式电站常见的现象,也是一种偏离最优工况的特殊现象,因堵塞多数发生在拦污栅处,进水部位会产生不同形态的漩涡,进而在流道中产生气泡,气泡在转轮室内的破裂会引起机组振动等问题,而严重的堵塞也会引起水头损失,造成机组协联不正确,加大机组的振动。例如广西某电站,3 号机组为靠近挡水边墙的一台机组,河面漂浮物都聚集在 3 号机组进水拦污栅处,当机组负荷增加时,发现上游进水口处有漩涡水流,随着负荷的增大,漩涡水流不断增大,机组出现嗡嗡噪音,而漩涡水流又不
7、断地牵引河面漂浮物聚集,机组出力也极不稳定,有功功率波动较大,漩涡带进流道的气泡冲击转轮室,致使机组运行更加不平稳,振动、噪声均变大,水导轴承座径向振动超标,转轮室外壳径向振动较大。由于各种水力因素的长期综合作用,引起了转轮室裂纹的产生。(2)水力不平衡因水轮机转轮偏心、导叶或叶片型线问题、导桨叶开度不均匀等问题导致的水流不稳定状态会产生水力不平衡,其特点明显,主要引起机组的振动都是以转频为主,尤其在水导轴承、转轮室等部位产生的振动影响最明显,其相关部位的振动幅值随着流量(功率、开度)的增大而增大。(3)涡带有研究表明,不同工况下,在贯流式水轮机尾水管内会形成一螺旋状偏心涡带,旋转方向与机组旋
8、转方向相同,水轮机内部的低频压力脉动是由尾水管涡带引起的,其压力脉动的频率通常为转速频率的 1/31/5。日常机组振动测试中,常见的低频压力脉动影响主要体现在水导轴承处的大轴摆度、水导轴承座径向振动、尾水管压力脉动、转轮室径向振动等,压力脉动的频率和幅值是随机组工况的变化而变化的,特殊的脉动频率还会引起机组共振或引起机组转速不稳定、并网困难等问题。(4)动静干涉动静干涉引发的压力脉动的频率是固定的,转轮叶片对静止部件的作用力的频率,就等于一倍转频频率与转轮叶片数的乘积,即 f=(Z1n)/60。而导叶、叶片和机组旋转叠加引起的动静干涉频率取决于机组转速、导叶和转轮叶片数,其经验公式为f=(Z0
9、Z1 n)/60K,式中 f 为脉动频率(Hz);n 为水轮机转速(r/min);Z1为叶片数目;Z0为导叶数目;K 为Z0和 Z1的最大公约数。动静干涉引起的压力脉动在灯泡贯流式机组中较为常见,可引发水导轴承、转轮室等部位的振动,某些过大振动和交变力还会引发机组结构部件的裂纹现象。(5)卡门涡卡门涡街频率经验公式:f=Sv/d,式中 v 为接近绕流物体前的流速;S 为斯特努哈数,取经验值为0.220.23;d 为垂直于液流方向,流体形成脱流尾迹处的最大宽度。若卡门涡街的频率与导叶的某阶固有频率耦合,就会产生共振,会造成单一频率的高频振动,发出尖锐的金属共鸣声,并可能在叶片出水边产生具有规律性
10、的裂纹。目前对于低水头的贯流式机组,因卡门涡街而产生共振的案例较少,未查阅到相关资料文献。(6)狭缝射流狭缝射流实际是动静干涉的一种特殊型式,由于转轮叶片前后的压力不同,水流从轮叶外缘和转轮室之间的缝隙通过时,会形成一股射流,转轮旋转的过程中,叶片的转动相对于静止的转轮室壁形成了特定的压力脉动和对转轮室壁的周期性交变力,最终会导致疲劳破坏。这种脉动和振动的频率为:f=(Z1n)/60,式中 f 为脉动频率(Hz);n 为水轮机转速(r/min);Z1为叶片数目。即 Z1倍转频频率,如果与转轮室的固有频率发生共振,还会发生更大程度的振动。此种影响主要体现在水导轴承振动和转轮室内的压力脉动、转轮室
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