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灯泡贯流式水轮机水力振动原因分析

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灯泡贯流式水轮机水力振动原因分析灯泡贯流式水轮机水力振动原因分析 第26卷第3期 2007年9月 青海电力 QINGHAIELECTRICPOWER Vo1.26NO.3 Sep.,2007 灯泡贯流式水轮机水力振动原因分析 巩志生,李海红,张新春,王兆伟 (青海电力试验研究所,青海西宁810008) 摘要:灯泡贯流式机组,具有适用水头低,过流量大以及效率高,机组安装开挖小,建 设投资少等特点,广泛 于开发低水头水力资源.但由于机组转动惯量小,稳定性差,相应水轮机水力振用 动对其影响也较大.文章 结合青海高海拔地区灯泡贯流式水轮机组运...
灯泡贯流式水轮机水力振动原因分析
灯泡贯流式水轮机水力振动原因 第26卷第3期 2007年9月 青海电力 QINGHAIELECTRICPOWER Vo1.26NO.3 Sep.,2007 灯泡贯流式水轮机水力振动原因分析 巩志生,李海红,张新春,王兆伟 (青海电力试验研究所,青海西宁810008) 摘要:灯泡贯流式机组,具有适用水头低,过流量大以及效率高,机组安装开挖小,建 设投资少等特点,广泛 于开发低水头水力资源.但由于机组转动惯量小,稳定性差,相应水轮机水力振用 动对其影响也较大.文章 结合青海高海拔地区灯泡贯流式水轮机组运行情况,对振动原因进行了分析. 关键词:灯泡贯流式水轮机;水力振动;原因分析. 中图分类号:TV730.7文献标识码:B文章编号:1006—8198(2007)03—058—02 HydraulicVibrationReasonAnalysisofBulbTubularTurbine' GONGZhi—sheng,LIHai,hong,ZHANGXin—chun,WANGZhao—wei Abstract:Bulbtubularunitspossessseveralcharacterssuchaslowwaterheadapplied,hugefl owrate,highefficien— cy,smallinstallationdigandconstructioninvestment.thereforeit'sbroadlyappliedinlowwat erheadhydraulicstfl— tion.Butbecauseofsmallrotatinginertiaofunitsandlackofstability,thushydraulicvibrationi nduceshugeeffect. Thepapermakesanalysisonvibrationreasoncombiningwithoperatingsituationoftubularu nitsonHighaltitudear— easofQinghaiprovince. Keywords:bulbtubularturbine;hydraulicvibration;reasonanalysis 1概述 尼那水电站位于青海省贵德县境内黄河干流 上,距黄河上游正在建设中的拉西瓦水电站8.6 km.设计正常蓄水位2235.5m,坝顶高程2 238.2m,最大坝高50.9m,总库容0.262亿m, 总装机容量160Mw(4×40Mw灯泡贯流式机 组).为低水头径流式电站,厂房为河床式.水轮 机是水电厂主设备之一,它担负着将水能转化成 旋转机械能的重要任务,其运行质量的好坏直接 影响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.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 底部设有一个球型支撑,其特点是允许灯泡头有 微小的变形,并可减少振动.另外灯泡头的两侧 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.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, 作者简介:巩志生(1967一),男,高级工程师,从事水力机组测试工作. 收稿日期:2006一O7—26 第3期巩志生等:灯泡贯流式水轮机水力振动原因分析59 可承受连续荷载. 3运行状况 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,振动对运行质量的影响更为 严重,例如尼那水电站灯泡贯流式水轮发电机组 的齿盘测速探头被磨损,测振传感器被振落,发电 机磁极松动等都与振动密切相关;另外,在水轮机 室的噪音也特别大,尤其在空载运行时发出尖锐 的啸叫声,对运行人员身心健康非常不利.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:水力不平衡,涡带振动,卡门涡列,狭缝射 流,协联关系不正确等等. 4.1水力不平衡 水轮机转轮偏心,导叶开度不一致,桨叶开度 不均匀或型线变坏,使得流人转轮的水流轴向不 对称而产生径向力,还有对于贯流式机组这种卧 式布置的机组,转轮上下叶片本身就存在一定的 静水压差(立式机组不存在这种问题),其压差与 转轮直径有关,直径越大压差就越大,这也直接影 响进人转轮水流的水力平衡,从而引起转轮及大 轴的摆动.这种由于水力不平衡原因产生的水力 振动在尼那水电站各台机组也不同程度存在,如 水导处大轴摆度随着负荷增大而增大,见图1为 尼那l机组水导处大轴摆度与机组出力之间的 关系 图1水导处大轴摆度与机组出力关系图 4.2涡带振动 根据速度三角形可知,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下运行,当负荷大于最优工 况时,转轮出IZl的水流就具有与转轮旋转方向相 反的旋转分量;而负荷小于最优工况时,就具有与 旋转方向同向的旋转分量,这样,就在转轮出IZl及 尾水管进IZl中心就产生旋涡.旋涡中心真空度很 高,即绝对压力很低,当压力低于当时水温的汽化 压力时,便产生汽蚀,这就是一般所说的"空腔汽 蚀".这种汽蚀产生的振动主要表现在转轮出口 至尾水管进口处,其特点是振动频率高,轴向振动 大并伴随噪音和爆破音.如图2所示,尼那1机 组转轮室水平振动,轴向振动t垂直振动与机组 出力之间的关系,明显看出偏离最优工况的低负 荷区10Mw左右和高负荷区40Mw处转轮室 振动突变或增大. 图2转轮室振动与机组出力关系图 另外,在发生空腔汽蚀时,在流动的水流带动 下使尾水管进IZl处产生的涡流延伸拉长,形成一 个螺旋状的真空带,一边旋转(自转)一边向四周 摆动.由于这个大的真空带在尾水管中摆动,摆 到哪里,便会在那里产生压力脉动,可使管壁发生 汽蚀,而更重要的是使得转轮出口水流的阻力发 生周期性变化,时而顺畅水流,时而阻止水流通 过,从而将引起不同程度的水头和出力的波动,同 时,由于尾水管壁产生脉动压力,也会引起机组的 基础,机架,轴承的振动和主轴的摆动,机组产生 强烈的噪声,使水轮机效率大大下降.其压力脉 动引起的振动频率较低,每分钟只有几次,但其能 量很大. 4.3由卡门涡列引起的振动 卡门涡是一种涡列,当流体流过一圆柱体或 板时,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.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(下转第63页) 第3期雒海东:基于TCP/IP下的网络通信的应用开发63 服务器方(SERVER)客户方(CLIENT) // … usethe … archiv . et.p黜data:?托 a>dwValue; ann/ .\">dwvalue; 一 ,, 一 或一…… ar()ut<<dwValue;6 arOut<<dwvalue:6 4实际应用 利用VisualC++6.0对原来的Windows Sockets库函数,可以方便的实现基于TCP/IP协 议下的网络通信.例如:在网络上的任何两个主 机间可以方便的利用此种应用开发实例进行通 信,提高通信效率. 参考文献: [1]蒋东兴.WindowsSockets网络程序设计指南[M].北 京:清华大学出版社,1996 (2]刘瑞新.visualC++面向对象程序设计教程(M].北 京:机械工业出版社,2004 (上接第59页)同时,物体就受到与来流方向垂直 的很强的交变力.这种交变力与旋涡频率相同. 这种涡列在水轮机运行中也经常出现,导叶和轮 叶在具有钝尾时,就会在叶片后面出现卡门涡列, 产生作用在叶片尾部的交变力.假若交变力的频 率与叶片固有频率相等时,就会产生共振,发出叶 片振动的啸叫声,使叶片与转轮轮毂连接处产生 疲劳裂纹,因此,在机组检修过程中,应特别注意 疲劳裂纹的检查. 涡带和卡门涡列是有区别的,涡带形成部位 在尾水管中部附近,压力脉动的频率和幅值随工 况变化而变化,引起机组转速不稳,难以并网,或 并网后引起出力摆动,作用在尾水管上的压力脉 动频率低而能量很大,发出的声音比较沉闷;而卡 门涡列的形成是在一定工况下产生,并以交变力 的形式作用在导叶,桨叶等过流部件上,使其产生 疲劳破坏,卡门涡列引发的振动频率很高,同时发 出尖锐的啸叫声. 4.4狭缝射流 在灯泡贯流式水轮机中,由于转轮叶片的工 作面和背面存在着压力差,在桨叶外缘和转轮室 之间的狭窄缝隙中,形成一股射流,其速度很高而 压力非常低.在转轮旋转过程中,转轮室壁的某 一 部分在叶片达到的瞬间,间隙最小,压力最低; 而在轮叶离去后又处于高压,如此循环,形成了对 转轮室壁的周期性压力脉动,从而产生振动,导致 疲劳破坏. 4.5协联关系不正确引起的振动 贯流转桨式水轮机在导水叶开度改变的同 时,桨叶转角也随同协联变化,所以当工况发生变 化时转桨式水轮机能在相当大的变工况范围内仍 保持高效率,使转轮叶片进口水流无撞击或撞击 很小,出口水流为法向或接近法向,保持最优或接 近最优的能量转换状态,将汽蚀和振动降低到最 低程度,转轮的水力损失很小.但是,当这种协联 关系不正确或被破坏时,一方面会引起调速器系 统持续振荡过程变长,机组出力,转速发生振荡, 转动部分的扭矩就会引起大轴变形,从而使转子 产生扭转振动;另一方面,由于水流情况恶化,在 水导轴承,组合轴承处引起轴向振动,同时,协联 关系不正确时,转轮叶片不再具有无撞击进口,水 流对叶片就会产生冲击,在不断的调节过程中,由 于冲角随时在变化,作用在叶片上的水流及由此 而产生的叶片扭矩,变形等也相应变化,这些变化 过程就是产生振动的成因. 4.6其它原因引起的振动 当水轮机汽蚀严重时,同时产生机械振动和 噪音,特别是在低水头或低负荷时,转轮叶片冲角 变化较大,使叶片产生强烈的脱流旋涡,一方面恶 化汽蚀现象,另一方面引起转动部分和尾水管的 振动,这种振动频率没有一定规律.这种振动称 之为由汽蚀引起的振动.另外,在停机或甩负荷 导叶快关时的反水锤,也会引起机组振动. 5结束语 灯泡贯流式机组适用水头低,过流量大,且效 率高;基础开挖小,建设投资少等优点,在青海高 原得到推广应用,自尼那水电站建成后,又建设了 直岗拉卡,康杨等中型电站,这些电站都采用这种 机型.由于其本身结构和性能特点,存在上面所 述稳定性因素,但只要正确把握其运行规律,在实 际运行中避开不利工况,加强监测和检修,定能使 其安全高效生产电能.
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