影響燈泡貫流式機組振動的因素分析

倪揚

（國家電投集團廣西長洲水電開發(fā)有限公司，廣西梧州543002）

0 引言

長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臺單機容量42 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為630 MW、年設(shè)計發(fā)電量30億kW·h，是一座以發(fā)電為主，兼顧航運、灌溉等綜合效益的大型水利樞紐工程。燈泡貫流式機組具備運行效率高、過機流量大等優(yōu)點，但是由于結(jié)構(gòu)特點容易引發(fā)機組振動，威脅水電站的運行安全，因此對于燈泡貫流式機組振動問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義，能夠更加全面地掌握燈泡貫流式機組的支撐特點，了解導(dǎo)致燈泡貫流式機組振動的主要影響因素。

1 燈泡貫流式機組的支撐特點

燈泡貫流式機組最明顯的特征就是燈泡形狀的大型薄殼外壓容器，機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組的支撐體-管型座[1]。這里以長洲電廠的管型座為例對燈泡貫流式機組的支撐特點進行介紹，管型座主要包括內(nèi)外兩部分，通過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，在運行使用中，管型座將機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定子外殼進行支撐固定。垂直和水平支撐分別承受自重、浮力和振動力矩、磁拉力的側(cè)向分力。而在機組內(nèi)部靠近發(fā)電機和靠近水輪機的一側(cè)分別設(shè)有一個組合式軸承和徑向軸承，共同承擔(dān)支撐機組轉(zhuǎn)動部分總重量的作用。

與傳統(tǒng)的立式軸流式機組相比，燈泡貫流式機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)；整機的重量較輕、體積較小；并具有較強的適應(yīng)性和較高的穩(wěn)定性等特點。

2 燈泡貫流式機組的振動影響因素

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

2.1 液體氣蝕造成的機組振動

在液體流動過程中，如果溫度一定，當(dāng)壓力下降到某一特定的壓力值，就會出現(xiàn)液體氣化或者溶解的情況，進而在液體內(nèi)部形成空穴。這樣就會破壞液相流體運動的連續(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)空穴進入壓力更低的區(qū)域，氣泡就會變大，當(dāng)壓力不斷變化超過臨界值時就會出現(xiàn)氣泡潰滅的情況，在氣泡爆裂的瞬間，會損壞過流表面的材料，造成空蝕。所以說氣蝕的本質(zhì)分為空化和空蝕兩個階段。

2.1.1 間隙空化、空蝕造成的機組振動

當(dāng)水流經(jīng)過狹小通道間隙時，速度往往會局部升高，相應(yīng)的其局部壓力就會下降，當(dāng)壓力下降到一定程度時就會造成間隙空化和空蝕現(xiàn)象。在燈泡貫流式機組的運行中，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)過程中，槳葉某些位置會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，就會引發(fā)機組的振動。

2.1.2 空腔氣蝕引發(fā)機組振動

在燈泡貫流式機組的尾水管中心空腔位置可能會出現(xiàn)水流渦帶造成的空蝕。在燈泡貫流式機組運行過程中可能會出現(xiàn)水輪機偏離設(shè)計工況的狀況，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)下就會出現(xiàn)渦流空蝕現(xiàn)象，最終產(chǎn)生的氣泡會在機組的尾水管內(nèi)潰裂，導(dǎo)致壓力場發(fā)生變化，并引發(fā)機組振動及噪音污染。空腔氣蝕引發(fā)的機組振動主要發(fā)生在機組低負(fù)荷運行的狀態(tài)下。

2.1.3 局部空化空蝕引發(fā)的機組振動

機組設(shè)備在加工制造過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]，液體流動過程中遇到這種缺陷也會發(fā)生流態(tài)突變的情況，引發(fā)局部空化空蝕。在燈泡貫流式機組內(nèi)，這種情況最容易在導(dǎo)流錐間隙、不平滑的臺階處以及外配水環(huán)、轉(zhuǎn)輪室等位置附近出現(xiàn)。某水電站設(shè)計中，在槳葉葉片下方的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁上設(shè)置尾水進入門孔，內(nèi)壁就要設(shè)計相應(yīng)的不平滑臺階結(jié)構(gòu)，在水流運動中會在臺階位置出現(xiàn)脫流狀況，引發(fā)壓力脈動，造成機組振動。

2.2 卡門渦列引發(fā)機組振動

除了常見的空化空蝕現(xiàn)象，在液體流動過程中還會出現(xiàn)卡門渦列現(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渦列中的漩渦會交替做順時針或者逆時針的旋轉(zhuǎn)變化[5]，而且處于循環(huán)產(chǎn)生與破滅的過程中，因而會對機組造成持續(xù)性的沖擊。旋轉(zhuǎn)的水流會形成對物體的垂直交變振動力，在燈泡貫流式機組內(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，可能會出現(xiàn)交變力頻率與葉片固有頻率一致的情況，這就會引發(fā)機組葉片的共振，甚至?xí)茐膬?nèi)部轉(zhuǎn)輪設(shè)備之前的連接強度。

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

合理設(shè)計燈泡貫流式機組內(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)葉與槳葉隨機組負(fù)荷變化而同步變化的狀態(tài)，從而實現(xiàn)最優(yōu)工況運行。一旦參數(shù)設(shè)置不合理就會造成機組出力受限的情況，而且水流會沖擊葉片，葉片受力及產(chǎn)生的扭矩都會發(fā)生變化，進而造成機組振動。

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

3 結(jié)語

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