灯泡贯流式水轮机水力振动的形成及其影响(1)

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tw/ta值较大，相应水轮机水力振动对其影响也较大，文章就水力振动的形成以及对机组的影响进行了分析，供同行们参考。

关键词：灯泡贯流式水轮机 水力振动 影响

1前言

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140mw，装置4台转轮直径7m，额定容量39mva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，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5400kn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）。

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