灯泡贯流式水轮机水力振动的形成及其影响

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1、灯泡贯流式水轮机水力振动的形成及其影响摘要：灯泡贯流式机组,具有适用水头低、过机流量大以及效率高等特点，广泛用于开发低水头水力资源。但由于机组转动惯量小，使得Talstyle="TEXT-INDENT:28pt;LINE-HEIGHT:28pt">飞来峡水利枢纽发电厂位于广东省清远市北江干流中游，为低水头径流式电站，厂房为河床式。电站总装机容量140MVA的灯泡贯流式水轮发电机组，额定水头为8.53m,最大毛水头为15m,发电最小毛水头为3.3m。机组及监控系统均从奥地利引进，在国内目前同类型机组中，单机容量最大。水轮机是水电厂主设备之一

2、，它担负着将水流机械能转化成旋转机械能的重要任务，其运行质量或损伤都将关系着整个水力发电厂的经济性、安全性及机组的使用寿命。在水轮机实际运行中，振动对机组损害影响较大，如缩短机组检修周期，增加维护工作量等。2灯泡贯流式水轮机的结构特点2.1支撑方式　　整个灯泡是一个大型薄壳外压容器，除承受机组本身的自重外，还要承受水压力、浮力、正向水推力、反向水推力、振动力矩、电磁力矩等荷载，因此灯泡机组的支撑体起着举足轻重的作用。主支撑由管型座（俗称座环）承担。飞来峡电站的管型座由内外两部分组成，上下支柱为管型座的主要组成部分，各种荷载主要通过管型座传

3、递给基础，支柱中为空心，作为运行检修人员的上下通道。在灯泡头的低部设有一个球型支撑（为奥地利ELIN公司的专利），其特点是允许灯泡头（即轴向和径向）有微小的变形，并可减少振动。另外的灯泡头的两侧还装有两个横向支撑，它与管型座、球支撑共同对灯泡形成一个稳定的支撑结构。2.2轴承机组转动部分为二支点双悬臂结构，设有发电机组合轴承和水导轴承，两套轴承共用一套轴承润滑油装置。组合轴承位于发电机的下游侧，由正推力轴承、反推力轴承和发导轴承组成；水导轴承在水轮机大轴密封的上游侧。在飞来峡电站设计要求正推可承受4500KN的连续荷载，反推力轴承可承受5

4、400KN的瞬时负荷；发导和水导轴承作为支撑发电机转子、水轮机以及大轴等重量，可承受1180KN的连续荷载。3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，在飞来峡水力发电厂就多次出现齿盘测速探头被磨损，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

5、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。4灯泡贯流式水轮机水力振动水力振动是机组振动的重要干扰源，就灯泡贯流式水轮机而言，水力振动主要由以下原因引起，即：涡带振动、卡门涡列、狭缝射流、协联关系不正确等。4.1涡带振动根据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

6、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。其压力脉动频率为：f=n/（60Z）式中f压力脉动频率（Hz）n水轮机转速（r/min）Z经验值，一般取3~4（有时也接近于1~5）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

7、物等的振动。并且会引起机组转速不稳定，造成并网困难，这在飞来峡电站已经出现过。另外，当飞来峡电站机组处于“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14%左右；此时机组的振动增大，引起的噪音也随之增加（高大110分贝左右）。4.2由卡门涡引起的振动卡门涡是一种涡列，当流体流过一圆柱体或板（包括一般不绕流体）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（见图1）。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

8、交变力与旋涡频率相同。其振动频率为：f=St*V/δ式中f振动频率(Hz)St斯特雷哈系数（一般取0.15-0.2）V绕流流速(m/s)δ圆柱体直径或板厚(m)Vδ图1卡门单涡示意图这种涡列在