水電機組運行中振動和噪聲的分析

黃立斌

湖南省電力有限公司水電分公司 湖南長沙 410000

隨著我國大量的水電站工程開建，水電機組振動和噪聲的問題已經(jīng)收到了廣泛的關(guān)注，這些噪聲和振動的出現(xiàn)，危害著水電機組的正常運行。所以加強對于相關(guān)問題的研究和解決是保證水電機組安全穩(wěn)定運行的遷移。由于水電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、運行中不易關(guān)閉等特點，決定了對于水電機組的振動和噪聲的解決工作，首先應(yīng)該建立在對于問題的預(yù)判上面，找到可能致使問題發(fā)生的原因。

對于水電機組來說，噪音的產(chǎn)生很大程度上和水電機組的振動有關(guān)，水電機組發(fā)生不協(xié)調(diào)的運轉(zhuǎn)，這種情況下，不但使得水電機組噪音變大，還會使得水電機組的結(jié)構(gòu)受到危害，甚至導(dǎo)致水電機組發(fā)生安全事故，所以需要引起高度重視，避免因為輕視出現(xiàn)意外事故。

就水電機組的噪聲產(chǎn)生的因素來說，目前常見的可以分為三大類，分別是機械因素、電磁因素以及水利因素。就目前來說，在水電機組運行中，噪音和振動是沒有辦法完全消除的，但是可以通過一定的技術(shù)讓異常振動和噪聲消除，或者減輕正常情況下產(chǎn)生的噪聲以及振動。這些振動的產(chǎn)生，主要是由于機械在設(shè)計制造中間、以及安裝中間存在有缺陷，或者運行中間的一些因素導(dǎo)致的。

1 振動及噪聲成因分析

1.1 機械因素

機械振動最常見的原因是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，其次是機組軸傾斜和軸承缺陷。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子的重心偏離e 轉(zhuǎn)動軸的距離，這樣的重心在主軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)半徑的e 主軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生額外的離心慣性力。這個額外的離心力慣性力將迫使主軸彎曲和變形。變形點靠近軸的兩端，變形點靠近離心力。主軸的空間運動為橄欖形，其投影為弧形。因此，這種振動被稱為“弓形”振動。對于新安裝的機組，在安裝過程中要對軸線進行測量和調(diào)整，擺動值一般可以在規(guī)定的范圍內(nèi)進行處理，因此，軸傾斜一般不會引起嚴(yán)重的振動[1]。

1.2 電磁因素

對于水輪機組來說，就現(xiàn)代技術(shù)，還不能保證它的發(fā)動機不可能制造的完美無缺，從而導(dǎo)致制造出來的定子和轉(zhuǎn)子之間存在有孔隙，這種孔隙就會導(dǎo)致磁密度存在有分布不均勻性的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了磁力存在有不平衡，磁極極性產(chǎn)生錯位，從而導(dǎo)致了水輪機組發(fā)生振動[2]。

1.3 水力因素

（1）轉(zhuǎn)輪水力不平衡。對于水輪機來說，如果進入的水流沒有達到軸對稱進入，這種情況下，就會導(dǎo)致水輪機組發(fā)生振動以及噪音。就導(dǎo)致水力不均衡的原因來進行分析的話，蝸殼形狀的確定形變，是導(dǎo)致不能軸對稱的因素，進而使得導(dǎo)葉出現(xiàn)開度不均勻，從而引起水輪機中的水流會發(fā)生不對稱轉(zhuǎn)動，使得內(nèi)部壓力分布均衡。在水輪機輪轉(zhuǎn)中間的止漏環(huán)分布不均衡，就會導(dǎo)致水輪機發(fā)生壓力脈動，從而導(dǎo)致橫向振動的產(chǎn)生。還有就是水道中間如果存在有異物堵塞等現(xiàn)象發(fā)生，也可能導(dǎo)致水輪機組發(fā)生振動異常和噪音。

（2）尾水管中水壓力脈動。渦輪在非最優(yōu)工況下運行，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪出口水流在尾水管內(nèi)形成渦帶，引起壓力脈動，引起機組振動。經(jīng)驗告訴我們，混流式汽輪機在30%至70%的最優(yōu)負(fù)荷運行時，在尾水管中有一個旋渦，該旋渦表現(xiàn)為正的螺旋旋渦，這導(dǎo)致了尾水管中顯著的壓力脈動。脈動頻率大約是單位速度的1/3 到1/5，導(dǎo)流筒的最大壓力脈動出現(xiàn)在導(dǎo)流筒直錐段的上半部分，此后，壓力脈動沿水流方向逐漸減弱，最終在彎頭后消失。導(dǎo)流管的壓力波動值一般小于水頭的10%，但超大型渦輪尾管的壓力波動值有時超過水頭的10%。

（3）卡門渦列。如果將一個物體置于平行水流中，且該物體為圓柱形，且垂直流向，當(dāng)流速不斷增加到雷諾數(shù)Re ≥3．5×106時，圓柱形物體后出現(xiàn)兩行平行。渦陣在一定距離內(nèi)交錯排列，方向相反，我們稱之為卡門渦。也有可能引起這樣的卡門渦，并在渦輪轉(zhuǎn)輪葉片、葉片等尾部引起振動。當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片尾部產(chǎn)生的卡門渦頻率接近葉片自振頻率時，葉片將產(chǎn)生共振，嚴(yán)重?fù)p壞轉(zhuǎn)輪葉片。

2 水力發(fā)電機組振動噪聲產(chǎn)生的原因與處理措施分析

2.1 水力不平衡

在水電運行中，造成水電機組振動和噪聲的很大因素就是來源于水力不均衡，就液態(tài)水來說，它在運行中間無法報出固定形狀，并且流量和雜質(zhì)也存在不同，這些因素是共同導(dǎo)致水電機組運行中間噪音和振動的產(chǎn)生。所以，在水電機組的運行中間，外部因素如時段、季節(jié)、水流量等進行控制是解決相關(guān)問題的只要思路。對于這些因素進行解決的時候，一般來說常見的就是對出售口進行解決，讓出水口來控制進入的水的流速，達到不同時段的情況下，水流受到影響較少的目的。另外一種處理方式就是加大壩體的存水量，讓泥沙盡可能的在庫區(qū)內(nèi)實現(xiàn)沉淀，讓水利機組運行中，不受泥沙因素影響。

2.2 尾水管渦帶

對于水單機組運行來說，尾水管渦帶也是導(dǎo)致水電機組噪聲和振動產(chǎn)生的原因之一，尤其是在水輪機運行中間，如果出現(xiàn)工況情況比較差的情況下，這種問題更加明顯。這種問題的產(chǎn)生就會導(dǎo)致了水輪機組管道內(nèi)部壓力過高、進而使得水電機組噪聲、振動、振動幅度都會變大，嚴(yán)重的情況下，甚至課鞥導(dǎo)致整個運行機房發(fā)生共振，危害運行安全。對于這種問題的解決，就需要在進行設(shè)備安裝的時候就進行解決。一般選擇使用負(fù)傾角翼型模式，從而達到對于上冠與泄水錐形線的優(yōu)化，對于高水頭混流式水輪機進行安裝的時候，選擇使用帶副葉的轉(zhuǎn)輪，然后向渦帶運行區(qū)域進行補氣處理就可以有效地解決此類水輪機產(chǎn)生尾水管渦帶[3]。

3 結(jié)語

為了保證水電機組穩(wěn)定的運行，就需要對水電機組運行中產(chǎn)生的振動和噪音問題，要盡早進行處理。從而達到讓水電機組穩(wěn)定運行的目的。當(dāng)然進行處理的時候，針對產(chǎn)生的可能原因進行分析，更有助于問題的解決。