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混流式水力機(jī)組減振探討論文
摘要：水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中的振動(dòng)是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等多方面的原因。但劇烈的振動(dòng)可能導(dǎo)致水力機(jī)組結(jié)構(gòu)破壞、降低運(yùn)行效率和機(jī)組出力。異常振動(dòng)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(lái)巨大的損失。
關(guān)鍵詞：水力機(jī)組 減振 探討 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中的振動(dòng)是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等多方面的原因。但劇烈的振動(dòng)可能導(dǎo)致水力機(jī)組結(jié)構(gòu)破壞、降低運(yùn)行效率和機(jī)組出力。異常振動(dòng)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(lái)巨大的損失。
隨著機(jī)組尺寸的增大，機(jī)組部件的相對(duì)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(lái)，國(guó)內(nèi)一些大型機(jī)組頻頻出現(xiàn)振動(dòng)，如巖灘、東江、五強(qiáng)溪、烏江渡等大型電站都有不同程度的振動(dòng)，以至于對(duì)機(jī)組的運(yùn)行構(gòu)成了危害和限制，即使是我國(guó)正在建設(shè)的舉世矚目的三峽機(jī)組也面臨著穩(wěn)定性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。所以，對(duì)水力機(jī)組振動(dòng)問題進(jìn)行研究具有十分重要的意義。
1基本概念
1．1 機(jī)組振動(dòng)的原因
各種干擾力對(duì)水輪機(jī)的作用是使水輪機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。水輪機(jī)的振動(dòng)可分為水力振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)。
a．水力振動(dòng)：引起水力振動(dòng)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(dòng)、迷宮間隙不均產(chǎn)生的振動(dòng)、尾水管中渦帶引起的低頻振動(dòng)等。
b．機(jī)械振動(dòng)：機(jī)械振動(dòng)主要是由于水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)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(dǎo)軸承間隙過大等。均能引起機(jī)械振動(dòng)。
c．電磁振動(dòng)：電磁振動(dòng)主要是由于水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)象之間加1個(gè)子系統(tǒng)稱之為隔振器，用它減小受控對(duì)象對(duì)振源激勵(lì)的響應(yīng)。
c．吸振：又稱動(dòng)力吸振。在受控對(duì)象上附加1個(gè)子系統(tǒng)，用它產(chǎn)生吸振力以減小受控對(duì)象對(duì)振源激勵(lì)的響應(yīng)。
d．阻振：又稱阻尼減振。在受控對(duì)象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗能量而使響應(yīng)減小。
e．結(jié)構(gòu)修改：通過修改受控對(duì)象的某些參數(shù)使振動(dòng)滿足預(yù)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(dǎo)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(lái)，其頻率計(jì)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(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪、葉片或?qū)~時(shí)，要求機(jī)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(shí)踐和試驗(yàn)研究證明是較好的葉型，而對(duì)于以投產(chǎn)運(yùn)行的機(jī)組，則只能采取下列措施：
a．避開共振流速運(yùn)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(tái)HL310－LJ－230水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，渦列頻率與轉(zhuǎn)輪葉片長(zhǎng)期處于共振頻率下運(yùn)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(wú)縫鋼管撐筋，增加了轉(zhuǎn)輪葉片的固有頻率。這樣一來(lái)，共振現(xiàn)象消失。
2．2 混流式水輪機(jī)組迷宮止漏環(huán)的減振
機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子迷宮環(huán)加工不圓、機(jī)組吊裝時(shí)轉(zhuǎn)軸不對(duì)中等都會(huì)使運(yùn)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(jī)組的自激振動(dòng)，特別是混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其止漏裝置相對(duì)比較復(fù)雜，間隙一般也較小，很容易在間隙中造成較大的壓力脈動(dòng)。
對(duì)迷宮止漏環(huán)的振動(dòng)，可用以下方法減振：
a．向背面空腔補(bǔ)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(dòng)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(bǔ)氣孔，另一端用膠皮管與空壓機(jī)相連，在自激振動(dòng)區(qū)從頂蓋向水輪機(jī)補(bǔ)壓縮空氣，氣壓為0．4MPa。頂蓋強(qiáng)迫補(bǔ)氣后，振動(dòng)立刻大幅度減小，自激振動(dòng)消失。
b．?dāng)U大外迷宮間隙。擴(kuò)大外迷宮間隙相當(dāng)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(dòng)的作用。迷宮間隙的擴(kuò)大還使得轉(zhuǎn)輪的偏心相對(duì)減小，不平衡力相對(duì)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(hào)機(jī)組也出現(xiàn)過下梳齒迷宮不均勻水流所激發(fā)的振動(dòng)。將轉(zhuǎn)輪上冠與下環(huán)進(jìn)口處的間隙由原來(lái)1mm車削至2．5mm；支撐環(huán)（基礎(chǔ)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(gè)，使內(nèi)外壓力相同后，異常振動(dòng)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(jī)組穩(wěn)定運(yùn)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(shè)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(dòng)。
2．3 消除尾水管渦帶引起的振動(dòng)
水輪機(jī)在部分負(fù)荷（一般為滿負(fù)荷的40％～75％）運(yùn)行時(shí)，尾水管內(nèi)由于復(fù)雜的渦旋運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成引水管和廠房的共振。
減少已存在的脈動(dòng)，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(jìn)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(jī)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(jìn)入尾水管錐段時(shí)急劇降低，從而導(dǎo)致尾水管中心部分壓力增加，同時(shí)也就減小渦旋強(qiáng)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(dòng)。
b．改變?yōu)a水錐或尾水管的結(jié)構(gòu)。
加長(zhǎng)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(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。
加長(zhǎng)尾水管錐段，加長(zhǎng)錐管和加大擴(kuò)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(kuò)大后，尾水管的渦帶剛剛形成即擴(kuò)散消失，不能形成長(zhǎng)尾水渦帶，撞擊管壁。所以尾水管相對(duì)振幅較小。
c．裝設(shè)導(dǎo)流裝置
十字架減振裝置可使高負(fù)荷工況時(shí)的渦帶脈動(dòng)值降低70％，此法在努列克9臺(tái)機(jī)組上得到實(shí)施，使水輪機(jī)出力增加9．6％。
在尾水管上裝設(shè)同軸擴(kuò)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(jìn)運(yùn)動(dòng)。同軸擴(kuò)散管也可以以同軸導(dǎo)流片代替，導(dǎo)流片的大小、安放位置、距轉(zhuǎn)輪遠(yuǎn)近等因素對(duì)消除渦振的效果都有明顯的影響。
翼形穩(wěn)流裝置是一項(xiàng)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(shè)翼形穩(wěn)流裝置組成的葉柵。當(dāng)水流澆流葉柵時(shí)，改變流動(dòng)方向，達(dá)到減小平均速度矩，降低壓力脈動(dòng)的目的。
d．補(bǔ)氣
依據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)水壓脈動(dòng)及補(bǔ)氣資料分析，在中、高水頭的水輪機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑D1＞4 m，相對(duì)振幅大于3％～5％，水壓脈動(dòng)絕對(duì)值大于50 kPa時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)氣以消除水壓脈動(dòng)。獨(dú)聯(lián)體在許多水電站上進(jìn)行了最小補(bǔ)氣研究。已查明，為了保證混流式水輪機(jī)在低負(fù)荷工況（15％～40％負(fù)荷）下穩(wěn)定運(yùn)行，必要的補(bǔ)氣量為額定出力下水流量的0．8％～1．2％；在中負(fù)荷工況（50％～70％負(fù)荷）下為0．1％～0．3％。
當(dāng)轉(zhuǎn)輪相對(duì)下游水位的埋入深度不超過6～7 m時(shí)，則可通過轉(zhuǎn)輪中心孔和轉(zhuǎn)輪瀉水錐實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)氣，這已在獨(dú)聯(lián)體多個(gè)中、低水頭混流式水輪機(jī)上采用。
2．4 機(jī)械原因引起的振動(dòng)
減小機(jī)械原因引起的振動(dòng)一般要注意以下幾點(diǎn)：
a．提高制造和安裝精度；
b．防止推力頭松動(dòng)。推力頭是推力軸承關(guān)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(dòng)產(chǎn)生。推力頭松動(dòng)后將嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。
如我國(guó)廣東某電站，3臺(tái)機(jī)在首次裝配時(shí)均將推力頭經(jīng)過預(yù)熱進(jìn)行套裝，而在檢修時(shí)均取消了這一工序。運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，松動(dòng)情況越來(lái)越嚴(yán)重。其中以3號(hào)機(jī)組最為突出，上機(jī)架水平振動(dòng)大至0．095mm（要求≤0．06 mm），勵(lì)磁機(jī)火花嚴(yán)重，機(jī)組被迫停機(jī)檢修。
用收緊對(duì)稱方向上的螺帽拆裝推力頭的傳統(tǒng)人工機(jī)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(yīng)涂防腐性強(qiáng)的物質(zhì)，如石墨粉或二硫化鉬潤(rùn)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(dòng)
a．避免超／次諧波共振
水輪發(fā)電機(jī)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(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于2倍或3倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超諧波共振；對(duì)于特殊要求的水輪機(jī)組，若設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，則當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于1／2倍或1／3倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)次諧波共振。以上兩種情況在機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)予以避免。
b．定子鐵芯組合縫的松動(dòng)。機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，由于定子鐵芯各部件溫度變化差異引起內(nèi)應(yīng)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(dòng)。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(gè)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(jī)玻璃合縫面墊片和環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。
c．定子鐵芯松動(dòng)。定子鐵芯松動(dòng)是指定子鐵芯迭片松動(dòng)，片與片之間產(chǎn)生間隙。運(yùn)行中常見的鐵芯松動(dòng)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(dòng)處理，一般是鏟掉壓緊螺栓的點(diǎn)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(yù)防定子鐵芯的振動(dòng)，可將裝配好的鐵芯預(yù)拉，當(dāng)發(fā)電機(jī)帶勵(lì)磁時(shí)，隨著鐵芯溫度升高預(yù)拉應(yīng)力將降低，或變?yōu)榱�，甚至改變�?yīng)力方向，這樣能從根本上防止在鐵芯中形成波浪度。
鐵芯預(yù)拉可有2種方法：一是在機(jī)座承受預(yù)壓的情況下進(jìn)行鐵芯迭片的組裝，組裝后再除掉預(yù)壓應(yīng)力；二是對(duì)機(jī)組裝好的鐵芯，給予預(yù)拉伸后固定在機(jī)座上。
3 機(jī)組減振的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
3．1 水輪機(jī)軸承的結(jié)構(gòu)
水輪機(jī)軸承的主要作用是固定機(jī)組的軸線位置，承受由水輪機(jī)主軸傳來(lái)的徑向力和振動(dòng)力。從改善軸承受力條件出發(fā)，軸承位置應(yīng)盡可能接近轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪對(duì)軸承位置的懸臂最短，這樣可使水輪機(jī)工作更穩(wěn)定且軸承本身的工作條件更好。
水輪機(jī)軸承的結(jié)構(gòu)型式很多，但從機(jī)組減振的角度來(lái)考慮，應(yīng)優(yōu)先選用水潤(rùn)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(duì)機(jī)組的振動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)輪，這樣便提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。
3．2 機(jī)墩的形式和布置
發(fā)電機(jī)機(jī)墩為發(fā)電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，一般用鋼筋混凝土建造。由于機(jī)墩要承受發(fā)電機(jī)傳來(lái)的動(dòng)荷載和靜荷載，故機(jī)墩的設(shè)計(jì)除考慮靜荷載引起的應(yīng)力外，還應(yīng)考慮動(dòng)荷產(chǎn)生的扭矩、振幅，且機(jī)墩設(shè)計(jì)應(yīng)以承受動(dòng)荷為主，它產(chǎn)生的扭矩往往是主要荷載。機(jī)墩有4種型式：圓筒式、環(huán)形梁式、矮機(jī)墩及構(gòu)架式機(jī)墩。其中圓筒式機(jī)墩與其它幾種型式的機(jī)墩比較，其優(yōu)點(diǎn)是剛度大，抗扭振性能好。
圓筒式機(jī)墩的風(fēng)罩與發(fā)電機(jī)樓板連接方式有整體式、簡(jiǎn)支式、分離式3種。
整體式的型式可增加機(jī)墩的抗扭、抗水平力的剛度，但機(jī)墩振動(dòng)較厲害時(shí)，易使樓板連同機(jī)墩一起振動(dòng)，影響樓板上儀表的監(jiān)測(cè)，而且因機(jī)墩混凝土的收縮易使樓板產(chǎn)生裂縫。
而布置簡(jiǎn)支式的機(jī)墩可避免樓板連帶的振動(dòng)，且可在支座處設(shè)置彈性防振墊層，起到隔振作用。故應(yīng)優(yōu)先選用簡(jiǎn)支式連接方式的圓筒式機(jī)墩。
3．3 合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪
轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的好壞直接影響水輪機(jī)的性能，如尾水管的渦帶源于轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量，合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪和流道，就有可能使轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域增加和更加趨于合理。
在轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的方法經(jīng)驗(yàn)因素占主導(dǎo)地位，設(shè)計(jì)結(jié)果具有一定的偶然性，往往要預(yù)先制造多個(gè)轉(zhuǎn)輪來(lái)從中選擇。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪時(shí)，以轉(zhuǎn)輪前的來(lái)流為均勻來(lái)流進(jìn)行轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)，然而不均勻來(lái)流才符合轉(zhuǎn)輪前來(lái)流的真實(shí)情況。所以，比照傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪，按不均勻來(lái)流方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪，采用流線改型法。在流線改型設(shè)計(jì)時(shí)考慮到強(qiáng)度問題，可對(duì)流面翼型進(jìn)行加厚處理，以滿足強(qiáng)度要求。這樣設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)較低，且效率高。目前已設(shè)計(jì)出的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪有A616型轉(zhuǎn)輪和A643型轉(zhuǎn)輪。
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