- 相關推薦
混流式水力機組減振探討論文
摘要:水輪發(fā)電機組在運行中的振動是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設計、制造、安裝、檢修、運行等多方面的原因。但劇烈的振動可能導致水力機組結(jié)構破壞、降低運行效率和機組出力。異常振動一旦發(fā)生,小則產(chǎn)生噪音,大則危及安全,造成事故,給電廠帶來巨大的損失。
關鍵詞:水力機組 減振 探討 結(jié)構優(yōu)化
水輪發(fā)電機組在運行中的振動是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設計、制造、安裝、檢修、運行等多方面的原因。但劇烈的振動可能導致水力機組結(jié)構破壞、降低運行效率和機組出力。異常振動一旦發(fā)生,小則產(chǎn)生噪音,大則危及安全,造成事故,給電廠帶來巨大的損失。
隨著機組尺寸的增大,機組部件的相對剛度減弱,固有頻率降低,增加了發(fā)生局部共振的可能性。近年來,國內(nèi)一些大型機組頻頻出現(xiàn)振動,如巖灘、東江、五強溪、烏江渡等大型電站都有不同程度的振動,以至于對機組的運行構成了危害和限制,即使是我國正在建設的舉世矚目的三峽機組也面臨著穩(wěn)定性的嚴峻挑戰(zhàn)。所以,對水力機組振動問題進行研究具有十分重要的意義。
1基本概念
1.1 機組振動的原因
各種干擾力對水輪機的作用是使水輪機產(chǎn)生振動的主要原因。水輪機的振動可分為水力振動、機械振動和電磁振動。
a.水力振動:引起水力振動的原因有流道中水流的不均勻,卡門渦列誘發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片振動、迷宮間隙不均產(chǎn)生的振動、尾水管中渦帶引起的低頻振動等。
b.機械振動:機械振動主要是由于水輪機和發(fā)電機的結(jié)構不良或制造、安裝質(zhì)量較差造成的,如軸線曲折、傾斜,推力軸承安裝不良以及導軸承間隙過大等。均能引起機械振動。
c.電磁振動:電磁振動主要是由于水輪發(fā)電機設計不合理或制造、安裝質(zhì)量不良以及轉(zhuǎn)子匝間短路等所產(chǎn)生的不平衡電磁力造成的。
1.2 減振的方法
a.消振:即消除或減弱振源,這是治本的方法。
b.隔振:在振源與受控對象之間加1個子系統(tǒng)稱之為隔振器,用它減小受控對象對振源激勵的響應。
c.吸振:又稱動力吸振。在受控對象上附加1個子系統(tǒng),用它產(chǎn)生吸振力以減小受控對象對振源激勵的響應。
d.阻振:又稱阻尼減振。在受控對象上附加阻尼器或阻尼元件,通過消耗能量而使響應減小。
e.結(jié)構修改:通過修改受控對象的某些參數(shù)使振動滿足預定的要求。
2減振的措施
2.1 減小卡門渦振
卡門渦主要出現(xiàn)在導葉和葉片的出水邊,它的頻率是以比較單純的噪聲形式表現(xiàn)出來,其頻率計算式為f=sv/d(s為斯特努哈數(shù);d為葉片尾部脫流厚度;v為流速)。故在設計轉(zhuǎn)輪、葉片或?qū)~時,要求機組及零部件的固有頻率避開卡門渦頻率,或選用在生產(chǎn)實踐和試驗研究證明是較好的葉型,而對于以投產(chǎn)運行的機組,則只能采取下列措施:
a.避開共振流速運行;
b.修改葉片的形狀;
c.改變?nèi)~片的剛度。
如浙江省黃壇口水電站的4臺HL310-LJ-230水輪機轉(zhuǎn)輪,渦列頻率與轉(zhuǎn)輪葉片長期處于共振頻率下運行,使葉片產(chǎn)生疲勞裂紋。采用修整葉片出水邊厚度和形狀的方法,改變了卡門渦列產(chǎn)生的干擾頻率;在轉(zhuǎn)輪靠上根部葉片出水邊附近的葉片之間加焊14根38×4的無縫鋼管撐筋,增加了轉(zhuǎn)輪葉片的固有頻率。這樣一來,共振現(xiàn)象消失。
2.2 混流式水輪機組迷宮止漏環(huán)的減振
機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子迷宮環(huán)加工不圓、機組吊裝時轉(zhuǎn)軸不對中等都會使運行中出現(xiàn)迷宮間隙不均勻,產(chǎn)生不平衡的側(cè)向力,激發(fā)機組的自激振動,特別是混流式水輪發(fā)電機組,其止漏裝置相對比較復雜,間隙一般也較小,很容易在間隙中造成較大的壓力脈動。
對迷宮止漏環(huán)的振動,可用以下方法減振:
a.向背面空腔補壓縮空氣。由于空氣具有可壓縮的特性,它使邊緣間隙的流速減小,從而使振動減小,甚至消除。土耳其卡拉喬侖電廠就成功地使用了該方法,具體措施是:用一根20的管子接頂蓋補氣孔,另一端用膠皮管與空壓機相連,在自激振動區(qū)從頂蓋向水輪機補壓縮空氣,氣壓為0.4MPa。頂蓋強迫補氣后,振動立刻大幅度減小,自激振動消失。
b.擴大外迷宮間隙。擴大外迷宮間隙相當于增加密封間隙處的流量,從而引起背面空腔內(nèi)水流流態(tài)的變化,起到消除振動的作用。迷宮間隙的擴大還使得轉(zhuǎn)輪的偏心相對減小,不平衡力相對減小。一般迷宮間隙δ=0.1%~0.2%轉(zhuǎn)輪直徑較合適。四川省漁子溪電站四號機組也出現(xiàn)過下梳齒迷宮不均勻水流所激發(fā)的振動。將轉(zhuǎn)輪上冠與下環(huán)進口處的間隙由原來1mm車削至2.5mm;支撐環(huán)(基礎環(huán))過水部分車削掉20mm,其它部分車光滑,在過水面上鉆40孔20個,使內(nèi)外壓力相同后,異常振動問題得到解決。
c.改變迷宮結(jié)構。將下梳齒改為階梯式結(jié)構,產(chǎn)生的不平衡力雖然較大,但作用力方向與偏心方向相反,有利于機組穩(wěn)定運行。將梳齒高度縮短、減小梳齒半徑,這樣可減小承受不平衡力的面積,從而起到減小不平衡力的作用。
d.在轉(zhuǎn)輪下腔增設均壓管,以均衡下腔水壓力。在轉(zhuǎn)輪下腔的下支持環(huán)上開孔,也可起到均壓作用,從而減小壓力脈動。
2.3 消除尾水管渦帶引起的振動
水輪機在部分負荷(一般為滿負荷的40%~75%)運行時,尾水管內(nèi)由于復雜的渦旋運動,而出現(xiàn)渦帶的大幅度振擺,從而引起尾水管壁及轉(zhuǎn)輪的劇烈振動,嚴重時甚至可能造成引水管和廠房的共振。
減少已存在的脈動,可以使用以下幾種措施:
a.正確選擇尾水管內(nèi)的流速分布,并使水流進入肘管和喉部以前,降低錐管段的流速是很重要的,建議所有機組尾水管喉部的流速不得超過3.5m/s。這樣將使轉(zhuǎn)輪出口流速在進入尾水管錐段時急劇降低,從而導致尾水管中心部分壓力增加,同時也就減小渦旋強度和轉(zhuǎn)輪葉片下面所造成的渦帶大小,減小了尾水管中的壓力脈動。
b.改變?yōu)a水錐或尾水管的結(jié)構。
加長瀉水錐,拜德埃斯普瓦電站將轉(zhuǎn)輪瀉水錐伸出轉(zhuǎn)輪底部約600 mm,使其處于渦帶的低壓真空處。經(jīng)改裝后,所有機組運行穩(wěn)定。
加長尾水管錐段,加長錐管和加大擴散角、支墩盡量靠近下游側(cè),都可以增加尾水管的效率和穩(wěn)定性。
加大尾水管錐角,尾水管錐角擴大后,尾水管的渦帶剛剛形成即擴散消失,不能形成長尾水渦帶,撞擊管壁。所以尾水管相對振幅較小。
c.裝設導流裝置
十字架減振裝置可使高負荷工況時的渦帶脈動值降低70%,此法在努列克9臺機組上得到實施,使水輪機出力增加9.6%。
在尾水管上裝設同軸擴散管,可以控制渦帶偏心距,使尾水管更加穩(wěn)定,防止尾水渦帶的旋進運動。同軸擴散管也可以以同軸導流片代替,導流片的大小、安放位置、距轉(zhuǎn)輪遠近等因素對消除渦振的效果都有明顯的影響。
翼形穩(wěn)流裝置是一項改善穩(wěn)定性效果很好的措施,其原理是在尾水管內(nèi)裝設翼形穩(wěn)流裝置組成的葉柵。當水流澆流葉柵時,改變流動方向,達到減小平均速度矩,降低壓力脈動的目的。
d.補氣
依據(jù)國內(nèi)外有關水壓脈動及補氣資料分析,在中、高水頭的水輪機中,當轉(zhuǎn)輪直徑D1>4 m,相對振幅大于3%~5%,水壓脈動絕對值大于50 kPa時,應進行補氣以消除水壓脈動。獨聯(lián)體在許多水電站上進行了最小補氣研究。已查明,為了保證混流式水輪機在低負荷工況(15%~40%負荷)下穩(wěn)定運行,必要的補氣量為額定出力下水流量的0.8%~1.2%;在中負荷工況(50%~70%負荷)下為0.1%~0.3%。
當轉(zhuǎn)輪相對下游水位的埋入深度不超過6~7 m時,則可通過轉(zhuǎn)輪中心孔和轉(zhuǎn)輪瀉水錐實現(xiàn)自然補氣,這已在獨聯(lián)體多個中、低水頭混流式水輪機上采用。
2.4 機械原因引起的振動
減小機械原因引起的振動一般要注意以下幾點:
a.提高制造和安裝精度;
b.防止推力頭松動。推力頭是推力軸承關鍵而重要的零件之一,要求它與軸頸配合后不允許有任何的松動產(chǎn)生。推力頭松動后將嚴重威脅機組運行的穩(wěn)定性。
如我國廣東某電站,3臺機在首次裝配時均將推力頭經(jīng)過預熱進行套裝,而在檢修時均取消了這一工序。運行時間增長,松動情況越來越嚴重。其中以3號機組最為突出,上機架水平振動大至0.095mm(要求≤0.06 mm),勵磁機火花嚴重,機組被迫停機檢修。
用收緊對稱方向上的螺帽拆裝推力頭的傳統(tǒng)人工機械方法,是加速推力頭磨損的主要因素。建議采用油壓千斤頂拆裝推力頭,這樣可以減輕推力頭拆裝過程的磨損。
推力頭套裝前,配合面應涂防腐性強的物質(zhì),如石墨粉或二硫化鉬潤滑劑等,避免表面腐蝕破壞。
2.5 減小電氣原因產(chǎn)生的振動
a.避免超/次諧波共振
水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在大多情況下均高于其工作轉(zhuǎn)速,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當臨界轉(zhuǎn)速接近于2倍或3倍工作轉(zhuǎn)速時,會出現(xiàn)超諧波共振;對于特殊要求的水輪機組,若設計臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速,則當臨界轉(zhuǎn)速接近于1/2倍或1/3倍工作轉(zhuǎn)速時,會出現(xiàn)次諧波共振。以上兩種情況在機組設計中應予以避免。
b.定子鐵芯組合縫的松動。機組長期運行,由于定子鐵芯各部件溫度變化差異引起內(nèi)應力的變化不同,引起定子鐵芯組合縫松緊度產(chǎn)生不均勻變化,從而造成組合縫的墊片損壞和松動。處理的辦法是:用電鉆鉆開,分解定子組合縫,刮掉并清洗原有墊片,重新加墊。加墊厚度視檢查合縫面間隙大小而定,一般墊片厚度比合縫間隙大0.2~0.4 mm,個別情況也可大到0.6 mm。為使鐵心的合縫面緊密貼合,可采用有機玻璃合縫面墊片和環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。
c.定子鐵芯松動。定子鐵芯松動是指定子鐵芯迭片松動,片與片之間產(chǎn)生間隙。運行中常見的鐵芯松動發(fā)生在鐵芯根部、齒壓板壓指、邊段鐵芯以及合縫鐵芯處。
定子鐵芯松動處理,一般是鏟掉壓緊螺栓的點焊,將定子鐵芯硅鋼片壓緊,緊固壓緊螺栓和頂緊螺絲。為了預防定子鐵芯的振動,可將裝配好的鐵芯預拉,當發(fā)電機帶勵磁時,隨著鐵芯溫度升高預拉應力將降低,或變?yōu)榱,甚至改變應力方向,這樣能從根本上防止在鐵芯中形成波浪度。
鐵芯預拉可有2種方法:一是在機座承受預壓的情況下進行鐵芯迭片的組裝,組裝后再除掉預壓應力;二是對機組裝好的鐵芯,給予預拉伸后固定在機座上。
3 機組減振的結(jié)構優(yōu)化
3.1 水輪機軸承的結(jié)構
水輪機軸承的主要作用是固定機組的軸線位置,承受由水輪機主軸傳來的徑向力和振動力。從改善軸承受力條件出發(fā),軸承位置應盡可能接近轉(zhuǎn)輪,使轉(zhuǎn)輪對軸承位置的懸臂最短,這樣可使水輪機工作更穩(wěn)定且軸承本身的工作條件更好。
水輪機軸承的結(jié)構型式很多,但從機組減振的角度來考慮,應優(yōu)先選用水潤滑的橡膠軸承。該軸承的軸承體上鑲有6~12塊橡膠軸瓦,用螺釘固定在軸承座上,橡膠能對機組的振動起吸振作用,且橡膠軸瓦磨損后可在背面加墊調(diào)整,或者完全更換。橡膠軸承下部不布置密封裝置,軸承可以盡量靠近水輪機轉(zhuǎn)輪,這樣便提高了運行的穩(wěn)定性。
3.2 機墩的形式和布置
發(fā)電機機墩為發(fā)電機的支撐結(jié)構,一般用鋼筋混凝土建造。由于機墩要承受發(fā)電機傳來的動荷載和靜荷載,故機墩的設計除考慮靜荷載引起的應力外,還應考慮動荷產(chǎn)生的扭矩、振幅,且機墩設計應以承受動荷為主,它產(chǎn)生的扭矩往往是主要荷載。機墩有4種型式:圓筒式、環(huán)形梁式、矮機墩及構架式機墩。其中圓筒式機墩與其它幾種型式的機墩比較,其優(yōu)點是剛度大,抗扭振性能好。
圓筒式機墩的風罩與發(fā)電機樓板連接方式有整體式、簡支式、分離式3種。
整體式的型式可增加機墩的抗扭、抗水平力的剛度,但機墩振動較厲害時,易使樓板連同機墩一起振動,影響樓板上儀表的監(jiān)測,而且因機墩混凝土的收縮易使樓板產(chǎn)生裂縫。
而布置簡支式的機墩可避免樓板連帶的振動,且可在支座處設置彈性防振墊層,起到隔振作用。故應優(yōu)先選用簡支式連接方式的圓筒式機墩。
3.3 合理設計轉(zhuǎn)輪
轉(zhuǎn)輪設計的好壞直接影響水輪機的性能,如尾水管的渦帶源于轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量,合理設計轉(zhuǎn)輪和流道,就有可能使轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定運行區(qū)域增加和更加趨于合理。
在轉(zhuǎn)輪設計中,傳統(tǒng)的方法經(jīng)驗因素占主導地位,設計結(jié)果具有一定的偶然性,往往要預先制造多個轉(zhuǎn)輪來從中選擇。因為在設計轉(zhuǎn)輪時,以轉(zhuǎn)輪前的來流為均勻來流進行轉(zhuǎn)輪設計,然而不均勻來流才符合轉(zhuǎn)輪前來流的真實情況。所以,比照傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪,按不均勻來流方法設計轉(zhuǎn)輪,采用流線改型法。在流線改型設計時考慮到強度問題,可對流面翼型進行加厚處理,以滿足強度要求。這樣設計出的轉(zhuǎn)輪壓力脈動較低,且效率高。目前已設計出的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪有A616型轉(zhuǎn)輪和A643型轉(zhuǎn)輪。
【混流式水力機組減振探討論文】相關文章:
衛(wèi)星減振的試驗研究05-01
磁約束阻尼的減振機理05-02
沖擊載荷下的減振分析05-03
機床減振墊鐵的研究與應用05-02
關于路基施工中的減振措施04-26
物理教學中引力振子的探討05-01
壓縮機減振降噪研究04-26
輻流沉淀池水力攪拌混凝試驗研究04-26
鐵路振動影響及其減振措施的分析04-29
人字齒輪減振降噪的修形設計04-28