影響燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)的因素分析

倪揚(yáng)

（國(guó)家電投集團(tuán)廣西長(zhǎng)洲水電開(kāi)發(fā)有限公司，廣西梧州543002）

0 引言

長(zhǎng)洲水利樞紐位于廣西梧州市上游12 km的潯江干流上，樞紐橫跨三江兩島。工程安裝15臺(tái)單機(jī)容量42 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為630 MW、年設(shè)計(jì)發(fā)電量30億kW·h，是一座以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、灌溉等綜合效益的大型水利樞紐工程。燈泡貫流式機(jī)組具備運(yùn)行效率高、過(guò)機(jī)流量大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)容易引發(fā)機(jī)組振動(dòng)，威脅水電站的運(yùn)行安全，因此對(duì)于燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠更加全面地掌握燈泡貫流式機(jī)組的支撐特點(diǎn)，了解導(dǎo)致燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)的主要影響因素。

1 燈泡貫流式機(jī)組的支撐特點(diǎn)

燈泡貫流式機(jī)組最明顯的特征就是燈泡形狀的大型薄殼外壓容器，機(jī)組整體承受包括重力、水壓力、水浮力、正反向水推力、電磁力矩、水力矩等多種不同類型的負(fù)載，而起主要承擔(dān)作用的是燈泡貫流式機(jī)組的支撐體-管型座[1]。這里以長(zhǎng)洲電廠的管型座為例對(duì)燈泡貫流式機(jī)組的支撐特點(diǎn)進(jìn)行介紹，管型座主要包括內(nèi)外兩部分，通過(guò)上下垂直和左右水平的空心支柱將內(nèi)外管型殼連接為一個(gè)整體。垂直空心支柱的主要作用是方便工作人員上下燈泡體，在運(yùn)行使用中，管型座將機(jī)組承受的各種載荷傳遞到水電站的大壩基礎(chǔ)上。

在定子外殼的下部和兩側(cè)分別裝設(shè)兩根球面輔助支撐對(duì)定子外殼進(jìn)行支撐固定。垂直和水平支撐分別承受自重、浮力和振動(dòng)力矩、磁拉力的側(cè)向分力。而在機(jī)組內(nèi)部靠近發(fā)電機(jī)和靠近水輪機(jī)的一側(cè)分別設(shè)有一個(gè)組合式軸承和徑向軸承，共同承擔(dān)支撐機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分總重量的作用。

與傳統(tǒng)的立式軸流式機(jī)組相比，燈泡貫流式機(jī)組具有合理的流道型式，減小了水力損失；并且具有較高的效率和能量參數(shù)；整機(jī)的重量較輕、體積較??；并具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較高的穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

2 燈泡貫流式機(jī)組的振動(dòng)影響因素

從上文的分析可知，燈泡貫流式機(jī)組與立式機(jī)組的結(jié)構(gòu)區(qū)別較大，支撐受力情況也更加復(fù)雜。燈泡貫流式機(jī)組依靠水平和垂直球面支撐對(duì)整個(gè)機(jī)組進(jìn)行支撐固定，在機(jī)組運(yùn)行中穩(wěn)定性較差，而且更容易出現(xiàn)振動(dòng)故障[2]。一旦機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)故障就會(huì)造成比較嚴(yán)重的運(yùn)行問(wèn)題，比如加速泡頭內(nèi)碳刷的磨損，加劇測(cè)速探頭的磨損，導(dǎo)致振動(dòng)擺度傳感器探頭損壞等，甚至可能造成端子松動(dòng)、槳葉接線松動(dòng)等故障，引發(fā)機(jī)組停機(jī)。而且機(jī)組振動(dòng)會(huì)造成比較嚴(yán)重的噪音污染，影響工作人員的身心健康。這里以長(zhǎng)洲水電站燈泡貫流式機(jī)組為例，對(duì)造成機(jī)組振動(dòng)的影響因素進(jìn)行深入分析。

2.1 液體氣蝕造成的機(jī)組振動(dòng)

在液體流動(dòng)過(guò)程中，如果溫度一定，當(dāng)壓力下降到某一特定的壓力值，就會(huì)出現(xiàn)液體氣化或者溶解的情況，進(jìn)而在液體內(nèi)部形成空穴。這樣就會(huì)破壞液相流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，通常把這種液體氣化或者溶解的現(xiàn)象稱為空化。當(dāng)空穴進(jìn)入壓力更低的區(qū)域，氣泡就會(huì)變大，當(dāng)壓力不斷變化超過(guò)臨界值時(shí)就會(huì)出現(xiàn)氣泡潰滅的情況，在氣泡爆裂的瞬間，會(huì)損壞過(guò)流表面的材料，造成空蝕。所以說(shuō)氣蝕的本質(zhì)分為空化和空蝕兩個(gè)階段。

2.1.1 間隙空化、空蝕造成的機(jī)組振動(dòng)

當(dāng)水流經(jīng)過(guò)狹小通道間隙時(shí)，速度往往會(huì)局部升高，相應(yīng)的其局部壓力就會(huì)下降，當(dāng)壓力下降到一定程度時(shí)就會(huì)造成間隙空化和空蝕現(xiàn)象。在燈泡貫流式機(jī)組的運(yùn)行中，間隙空化和空蝕現(xiàn)象最常出現(xiàn)在槳葉葉片位置附近。在轉(zhuǎn)輪室和機(jī)組槳葉葉片外部邊緣以及轉(zhuǎn)輪體與葉片根部之間都存在比較小的縫隙，水流流經(jīng)這些縫隙后就會(huì)形成高速低壓的射流，引發(fā)空化現(xiàn)象[3]。而且轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，槳葉某些位置會(huì)不斷地在低壓和高壓狀態(tài)下切換，形成高低壓循環(huán)變換的狀態(tài)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁由于受到這種周期性變化的壓力的沖擊，就會(huì)引發(fā)機(jī)組的振動(dòng)。

2.1.2 空腔氣蝕引發(fā)機(jī)組振動(dòng)

在燈泡貫流式機(jī)組的尾水管中心空腔位置可能會(huì)出現(xiàn)水流渦帶造成的空蝕。在燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況的狀況，在轉(zhuǎn)輪出口水流圓周分速度的作用下，旋轉(zhuǎn)的水流會(huì)不斷匯聚從而形成較大的帶狀渦流，而在渦流的不同位置，壓力也各有不同，在中心位置處于較大的負(fù)壓狀態(tài)。這種壓力狀態(tài)下就會(huì)出現(xiàn)渦流空蝕現(xiàn)象，最終產(chǎn)生的氣泡會(huì)在機(jī)組的尾水管內(nèi)潰裂，導(dǎo)致壓力場(chǎng)發(fā)生變化，并引發(fā)機(jī)組振動(dòng)及噪音污染?？涨粴馕g引發(fā)的機(jī)組振動(dòng)主要發(fā)生在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)下。

2.1.3 局部空化空蝕引發(fā)的機(jī)組振動(dòng)

機(jī)組設(shè)備在加工制造過(guò)程中在某些位置可能存在表面不平整、氣孔、砂眼等加工缺陷[4]，液體流動(dòng)過(guò)程中遇到這種缺陷也會(huì)發(fā)生流態(tài)突變的情況，引發(fā)局部空化空蝕。在燈泡貫流式機(jī)組內(nèi)，這種情況最容易在導(dǎo)流錐間隙、不平滑的臺(tái)階處以及外配水環(huán)、轉(zhuǎn)輪室等位置附近出現(xiàn)。某水電站設(shè)計(jì)中，在槳葉葉片下方的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁上設(shè)置尾水進(jìn)入門(mén)孔，內(nèi)壁就要設(shè)計(jì)相應(yīng)的不平滑臺(tái)階結(jié)構(gòu)，在水流運(yùn)動(dòng)中會(huì)在臺(tái)階位置出現(xiàn)脫流狀況，引發(fā)壓力脈動(dòng)，造成機(jī)組振動(dòng)。

2.2 卡門(mén)渦列引發(fā)機(jī)組振動(dòng)

除了常見(jiàn)的空化空蝕現(xiàn)象，在液體流動(dòng)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)卡門(mén)渦列現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在非線性障礙物附近，具體變現(xiàn)為一系列的變態(tài)漩渦?？ㄩT(mén)渦列中的漩渦會(huì)交替做順時(shí)針或者逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)變化[5]，而且處于循環(huán)產(chǎn)生與破滅的過(guò)程中，因而會(huì)對(duì)機(jī)組造成持續(xù)性的沖擊。旋轉(zhuǎn)的水流會(huì)形成對(duì)物體的垂直交變振動(dòng)力，在燈泡貫流式機(jī)組內(nèi)具體表現(xiàn)為葉片尾部受到的交變力，而且由于交變頻率與漩渦頻率相同，可能會(huì)出現(xiàn)交變力頻率與葉片固有頻率一致的情況，這就會(huì)引發(fā)機(jī)組葉片的共振，甚至?xí)茐膬?nèi)部轉(zhuǎn)輪設(shè)備之前的連接強(qiáng)度。

2.3 導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系參數(shù)設(shè)計(jì)不合理

合理設(shè)計(jì)燈泡貫流式機(jī)組內(nèi)導(dǎo)葉和槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)葉與槳葉隨機(jī)組負(fù)荷變化而同步變化的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工況運(yùn)行。一旦參數(shù)設(shè)置不合理就會(huì)造成機(jī)組出力受限的情況，而且水流會(huì)沖擊葉片，葉片受力及產(chǎn)生的扭矩都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成機(jī)組振動(dòng)。

除此之外還可能受到由于調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行異常、機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行或者水位波動(dòng)較大等原因造成的機(jī)組振動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文分析可知，加強(qiáng)對(duì)影響燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)的因素的分析具有重要的作用。燈泡貫流式機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)與立式機(jī)組差別較大，受力穩(wěn)定性較差，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到諸多因素的影響，出現(xiàn)不同類型的振動(dòng)故障，遇到更多更復(fù)雜的問(wèn)題，這就需要水電廠工作人員不斷加強(qiáng)對(duì)于燈泡貫流式機(jī)組的研究，勤于調(diào)整不同水頭下機(jī)組的水頭設(shè)置，導(dǎo)、槳葉的協(xié)聯(lián)開(kāi)度，減小機(jī)組振動(dòng)，使機(jī)組運(yùn)行于最優(yōu)工況。同時(shí)采集各機(jī)組最優(yōu)工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，為后期處理燈泡貫流式機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題提供參考。