彭小東，李麗霞

(1.中電建水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，成都,610041； 2.中國水利水電第四工程局有限公司，西寧,810007)

水輪機(jī)動靜干涉的解決方案探討

彭小東1，李麗霞2

(1.中電建水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，成都,610041； 2.中國水利水電第四工程局有限公司，西寧,810007)

介紹水輪機(jī)動靜干涉的特點，指出水輪機(jī)選型設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)注意動靜干涉問題。通過分析某電站水輪機(jī)動靜干涉引起振動的解決方案，對可能的防動靜干涉措施進(jìn)行了討論，得出了指導(dǎo)性意見。

水輪機(jī) 動靜干涉 振動 解決方案

1 概述

水輪機(jī)運行的穩(wěn)定性是關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組甚至水電站廠房是否安全穩(wěn)定運行的重要因素。隨著水電建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，由于水輪機(jī)水力振動導(dǎo)致的轉(zhuǎn)輪裂紋、機(jī)組振動甚至廠房振動時有發(fā)生，水輪機(jī)運行穩(wěn)定性問題突出。

引起水輪機(jī)水力振動的原因較為復(fù)雜多樣，其中，動靜干涉也是引起水力振動的原因之一。所謂動靜干涉指旋轉(zhuǎn)部件和固定部件間流動的相互干擾。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)時，周期性地切割活動導(dǎo)葉出口的尾跡，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流出現(xiàn)周期性擾動，從而產(chǎn)生動靜干涉問題。水輪機(jī)中這種相互干擾引起的不穩(wěn)定流可能引起水力振動，導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片疲勞破壞出現(xiàn)裂紋，影響機(jī)組的安全運行，情況嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)廠房共振，危及電站安全生產(chǎn)。

本文討論了水輪機(jī)動靜干涉的形成原因，以及由其引發(fā)的水力振動的表現(xiàn)，并針對某電站混流式水輪機(jī)動靜干涉引起廠房振動的問題進(jìn)行了分析，得出了緩解和消除水輪機(jī)動靜干涉引起水力振動的幾點措施。

2 水輪機(jī)動靜干涉

2.1 動靜干涉的形成

水輪機(jī)在穩(wěn)定運行工況下，轉(zhuǎn)輪葉片和活動導(dǎo)葉在相對運動過程中，由于尾跡效應(yīng)在活動導(dǎo)葉出口處產(chǎn)生不均勻的流場，同時轉(zhuǎn)輪葉片在壓力負(fù)荷作用下產(chǎn)生的周期性流動，將會產(chǎn)生有規(guī)律的、周期性的葉柵干擾。此現(xiàn)象在活動導(dǎo)葉數(shù)Zw和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr相差為1的情況下較易發(fā)生。因為在此條件下，活動導(dǎo)葉過流頻率為fw=n×Zw/60(n為水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，下同)，轉(zhuǎn)輪葉片過流頻率為fr=n×Zr/60，兩者頻率非常接近。由轉(zhuǎn)輪葉片和活動導(dǎo)葉之間的葉柵干擾引起的水力激振與轉(zhuǎn)輪的振動特性發(fā)生耦合時，將會引起水輪機(jī)振動甚至電站廠房共振的現(xiàn)象。

2.2 動靜干涉引起振動的表現(xiàn)

水輪機(jī)動靜干涉引起振動時，設(shè)備或廠房地面的振動程度、機(jī)組噪聲等一般隨負(fù)荷增加而增大，滿負(fù)荷運行時廠房振動和機(jī)組噪音達(dá)到最大。情況嚴(yán)重時，水輪機(jī)層和發(fā)電機(jī)層地面、尾水平臺等建筑物振動明顯，機(jī)旁屏柜等設(shè)備均產(chǎn)生不同程度振動和噪聲。在工程實踐中，也存在部分電站水輪機(jī)發(fā)生動靜干涉引起振動，雖然水輪發(fā)電機(jī)組自身的振動擺度并未超過規(guī)范要求，但是電站廠房卻發(fā)生振動現(xiàn)象。對電站廠房振動進(jìn)行響應(yīng)測試，一般可以發(fā)現(xiàn)廠房的主振頻率集中在轉(zhuǎn)輪葉片過流頻率或活動導(dǎo)葉過流頻率及其倍頻。

2.3 消除水輪機(jī)動靜干涉引起振動的主要措施

水輪機(jī)動靜干涉引起的動態(tài)應(yīng)力將會使過流部件材料的疲勞強度顯著降低，引起導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片疲勞破壞出現(xiàn)裂紋，影響機(jī)組的安全運行，嚴(yán)重時甚至?xí)鹌渌O(shè)備和廠房發(fā)生共振，危及電站的安全穩(wěn)定運行。

為防止和減輕水輪機(jī)動靜干涉引起振動，根據(jù)我國水輪機(jī)制造廠多年來的設(shè)計、制造經(jīng)驗及教訓(xùn)與總結(jié)，除了建議在設(shè)計階段設(shè)計單位應(yīng)當(dāng)進(jìn)行建筑物動力分析和穩(wěn)定性計算，保證水工建筑物自振頻率與設(shè)備振動頻率錯開30%以上，避免建筑物產(chǎn)生振動的可能性外，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的選型、過流部件的設(shè)計和制造，應(yīng)當(dāng)作為首要任務(wù)和重點工作。具體措施如下：

(1)在設(shè)計過程中，轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率及其振型要盡可能避開所選葉柵組合產(chǎn)生的激振模式，尤其是要注意活動導(dǎo)葉數(shù)Zw和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr相差為1的情況。必要時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行水輪機(jī)動靜干涉的非定常流動數(shù)值模擬計算，優(yōu)化活動導(dǎo)葉數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的組合方式；

(2)對于已經(jīng)產(chǎn)生水輪機(jī)動靜干涉引起振動現(xiàn)象的電站，可以采取改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量、轉(zhuǎn)輪增加短葉片、對稱切短轉(zhuǎn)輪葉片、改變活動導(dǎo)葉數(shù)量、修正活動導(dǎo)葉尾部形狀、在蝸殼鼻端開孔等方法進(jìn)行處理。

3 工程實例分析

某水電站采用引水式開發(fā)，最大水頭134.6m，最小水頭116.5m，額定水頭118m。電站裝設(shè)3臺單機(jī)容量15MW的立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)型號HL(F713)-LJ-140，額定轉(zhuǎn)速500r/min，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)15，活動導(dǎo)葉數(shù)16。

電站機(jī)組正式并網(wǎng)運行后，機(jī)組和廠房出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。單機(jī)負(fù)荷超過10MW時，廠房地面振動和機(jī)組噪聲明顯增大，滿負(fù)荷15MW運行時廠房振動和噪音最嚴(yán)重。兩臺機(jī)組同時滿負(fù)荷運行時水車室內(nèi)噪音最大值達(dá)96.6dB，機(jī)組進(jìn)水蝶閥旁通管手動旁通閥及蝸殼排水閥的操作閥門、機(jī)旁屏柜、調(diào)速器控制柜、雨淋閥等設(shè)備均發(fā)出不同程度振動噪聲。機(jī)組進(jìn)水蝶閥上游側(cè)壓力鋼管支管中心處混凝土地面(水輪機(jī)層)、水輪機(jī)層母線廊道、發(fā)電機(jī)層地面、尾水平臺等建筑物及其構(gòu)架振動明顯。機(jī)組停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)部分管路連接螺栓、進(jìn)水蝶閥旁通閥操作機(jī)構(gòu)限位螺栓、上下導(dǎo)油盆相關(guān)螺栓均存在不同程度的松動。

初步分析廠房各部位實測振動波形，發(fā)現(xiàn)廠房各部位實測振動在時間歷程上相對比較平穩(wěn)，其幅值和波形均呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的特征。進(jìn)一步對實測振動波形開展時-頻特性分析，選取廠房發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層典型部位振動加速度數(shù)據(jù)開展隨振動歷程的頻譜特性分析，并繪制時-頻曲線三維圖(圖1、圖2)。

(a)2#機(jī)組發(fā)電機(jī)層調(diào)速器基礎(chǔ)樓板

(b)2#機(jī)組發(fā)電機(jī)層機(jī)旁盤基礎(chǔ)樓板

(c)2#機(jī)組發(fā)電機(jī)層下游邊墻

(a)2#機(jī)組蝸殼排水閥

(b)2#機(jī)組蝶閥旁通閥

從圖1、圖2可以看出，各部位振動存在以下顯著特點：

(1)廠房發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、蝸殼排水閥、蝶閥旁通管振動頻譜特性在時間歷程上相對固定，同時振動FFT峰值在時間歷程分布上也相對穩(wěn)定，即廠房振動呈現(xiàn)相對穩(wěn)態(tài)的特征；

(2)廠房振動加速度的頻帶分布相對比較統(tǒng)一，第一峰值頻帶一般分布在125Hz，其倍頻250Hz一般為第二峰值頻帶，另外375Hz和500Hz頻帶能量在特征點時-頻圖上也有所體現(xiàn)。廠房振動加速度的頻帶與機(jī)組過流頻率(轉(zhuǎn)輪葉片過流頻率fw=125Hz)十分接近。

經(jīng)過分析討論廠房振動監(jiān)測資料、機(jī)組運行數(shù)據(jù)等相關(guān)資料，專家組認(rèn)為設(shè)備和廠房振動主要是由于水輪機(jī)活動導(dǎo)葉數(shù)16與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)15不匹配，從而導(dǎo)致水輪機(jī)動靜干涉引起的。運行單位最終決定對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，將活動導(dǎo)葉數(shù)調(diào)整為20。

2#機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造完畢后，機(jī)組運行狀態(tài)良好。在2#機(jī)組單獨運行工況下，設(shè)備和廠房振動現(xiàn)象明顯降低。在不同工況運行條件下，測試單位開展了廠房特征部位的振動響應(yīng)情況和振動特性測試工作。通過測試分析發(fā)現(xiàn)，在2#機(jī)組單獨運行工況下，廠房振動頻率構(gòu)成較為分散，頻帶主要集中在8.3Hz、110Hz、260Hz左右甚至更高，主振頻率不再集中于125Hz。廠房發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層和蝶閥基礎(chǔ)部位測點的水平橫向(x向)和豎直向(z向)振速大小減小10%～40%，而廠房發(fā)電機(jī)層水平縱向(y向)各測點振速變化不大。詳見圖3所示。

(a)水平橫向(x向)振速對比

(b)水平縱向(y向)振速對比

(c)豎直向(z向)振速對比

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造后，2#機(jī)組單獨滿負(fù)荷運行時，廠房內(nèi)各區(qū)域噪聲總體減小。中控室、辦公室、會議室等場所，噪聲降低效果很明顯，水車室、水輪機(jī)層噪聲也顯著減小(詳見表1)。

表1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造前、后廠房各部位噪聲監(jiān)測(工況：2#機(jī)組15MW)

這說明2#水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)活動導(dǎo)葉數(shù)由16調(diào)整為20后，水輪機(jī)的動靜干涉問題基本消除，通過調(diào)整導(dǎo)水機(jī)構(gòu)活動導(dǎo)葉數(shù)解決水輪機(jī)動靜干涉的方案是可行的。

4 結(jié)語

水輪機(jī)運行的穩(wěn)定性是水輪發(fā)電機(jī)組和水電站廠房是否安全穩(wěn)定運行的重要因素。在水輪機(jī)選型設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)特別注意水輪機(jī)動靜干涉問題。尤其是水輪機(jī)運行時，在設(shè)備和建筑物產(chǎn)生異常噪聲和振動的情況下，應(yīng)及時進(jìn)行測試分析，確定其產(chǎn)生的原因，并采取必要的措施進(jìn)行處理。前述的水輪機(jī)防動靜干涉方案在技術(shù)上是可行的，在工程實踐中能一定程度地緩解和消除水輪機(jī)動靜干涉引起的水力振動。

〔1〕龐立軍，呂桂萍，劉晶石等.高水頭水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的抗振防裂紋設(shè)計.機(jī)械工程學(xué)報，2013，(4).

〔2〕陳小沁，張利民，張 健.水輪發(fā)電機(jī)組振動測試和分析.上海大中型電機(jī).2006，(3).

〔3〕肖惠民，于 波.水輪機(jī)動靜干涉的非定常流動數(shù)值模擬.大電機(jī)技術(shù)，2009，(5).

〔4〕劉華清.柏香林電站機(jī)組與廠房的振動分析.云南水力發(fā)電，2006，(5).

〔5〕陳國棟.水輪機(jī)組振動的分析與處理.福建電力與電工，1998，(2).

彭小東(1984.9-)男，四川南充人，碩士，主要從事電站機(jī)電設(shè)備管理與水力過渡過程計算研究。

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TK730.313+TK730.323

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2095-1809(2016)02-0101-04