灯泡贯流式水轮发电机组水力振动成因及影响分析

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【摘要】灯泡贯流式水轮发电机组有着能适应低水头、过流较大、效率高、机组安装需开挖量小等优点，被愈来愈多地应用到低水头的水力资源开发中来。但由于灯泡贯流式水轮发电机组转动惯量不大，运行稳定性相对较差，受水力振动影响更为明显，文章就水力振动的形成及影响进行分了析。

【关键词】灯泡贯流式水轮发电机组；水力振动；成因；影响；分析

水力资源作为一种可再生能源，得到了很大的开发利用，而水轮机是水力资源开发的主要设备，是通过水能冲击水轮发电机组旋转切割磁场产生电量，从而实现水能转化成电能。由此可知，水轮发电机组运行的好坏将关系着水力发电企业的经济效益、安全风险程度及机组的使用寿命等。在实际运行中，水力振动对水轮发电机组损害较大，如损坏机组重要部件，缩短机组检修周期，增加维护工作量等，而灯泡贯流式水轮发电机组因其结构特点，运行中受到的水力振动较其他形式的机组更为突出。本文就灯泡贯流式水轮发电机组水力振动的成因、危害进行简单的分析，提出几点建议，供同行们参考。

一、灯泡贯流式水轮发电机组水力振动成因分析

水力振动对灯泡贯流式水轮发电机组的危害很大，究其原因，主要是由以下原因引起的。

1、水力不平衡

水力不平衡是形成水力振动的主要原因之一，由于水轮机转轮偏心、桨叶开度不均匀、导叶开度不一致、型线变坏等，都会导致水流流入转轮时轴向存在不对称现象而引发了径向力，使水力不平衡。

此外，灯泡贯流式水轮发电机组卧式布置，导致转轮上、下叶片之间必然形成了一定的静水压差，物理学研究表明，该压差与转轮直径之间有着必然的关联，压差随着直径的变大而变大，对进入转轮水流的水力平衡也构成直接的影响，从而导致转轮及大轴的摆动。

2、祸带振动

由物理学的速度三角形可知，在工况最优的状态下，由转轮流出的水流大致沿着轴向，实际上，很多时候机组并在最优设计工况下运行。实践经验表明，当机组负荷比最优工况大时，水流就具有与转轮旋转方向相反的旋转分量；反之，当机组负荷比最优工况小时，就具有与旋转方向同向的旋转分量。这样，在尾水管中心附近就产生具有某个边界层的旋转涡带。涡带中心压力较低，在尾水位低时，其中心部分压力更低，形成汽蚀，这就是通常所说的“空腔汽蚀”。

实践中发现，在出现空腔汽蚀时由于水流的带动，尾水管进口处产生的涡流被进一步延伸拉长，形成螺旋状的真空带，一边自转一边向四周摆动，使尾水管中产生压力脉动，导致管壁发生汽蚀及异响。压力脉动的频率和幅值是随机组工况的变化而变化的，假若与过水系统水压脉动频率共振时，就造成水轮机整个过流系统的强烈水压脉动，即尾水管、管型座和电站水工建筑物等的振动，其危害是相当大的。

3、狭缝射流

灯泡贯流式水轮机在工作中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着一定的压力差，在桨叶外缘和转轮室间的狭窄缝隙会形成了一股射流，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处于低压，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，导致疲劳破坏。

4、卡门涡列引起的振动

当水流流经非流线型障碍物时，在其后面尾流中分裂一系列变态旋涡，即所谓卡门涡列，交替地作顺时针或反时针方向旋转，在其不断形成与消失过程中，会在垂直于主流方向引起交变的振动力。水轮机在运行中也经常出现卡门涡列，涡列产生的振动力会导致转轮叶片的振动，当卡门涡列的频率与叶片固有频率接近时，叶片振动应力急剧增大，有时发出响声，甚至使叶片根部断裂。采用改变卡门涡列频率或叶片固有频率的办法，可以减轻卡门涡列振动，如将叶片出水边削薄或改型，有可能使正背两面构成的交流旋涡抵消或削弱；同时提高了卡门涡列的振动频率，使其远离叶片自振频率，避免共振，但是叶片削薄改型部分不宜太长，否则会影响翼型的特性，降低效率；尾端圆角应满足强度的要求，不应太小。

5、协联关系不正确引起的振动

灯泡贯流式水轮发电机组一般采用水轮机的导叶和桨叶同时参与调节的双重调节方式，这样可以保证机组始终运行在高效率区内，使机组能在更宽水头范围内高效率运行。根据运行经验，当贯流式水轮机导叶、桨叶协联关系不正确时，一方面机组出力受限；另一方面，转轮叶片不再具有无撞击进口，水流对叶片产生冲击，在转轮转动过程中，由于桨叶冲角不断变化，作用在叶片上的力及生产的叶片扭矩也相应变化，这就使机组产生了径向的振动。所以，在实际运行中，应根据厂家提供的协联关系曲线，在机组投产后做协联关系曲线试验，绘制实际运行的最优协联关系曲线，作为水轮机调速器协联调节的依据，确保机组能在最优协联工况下运行。

除上述原因外，当水轮机汽蚀严重时，也会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，被称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。

二、建议

综合水力振动产生原因及实际运行经验，灯泡贯流式水轮发电机组运行应注意以下几方面：

1、贯流式机组尽量避免做动态控制

根据灯泡贯流式水轮发电机组运行的实际经验，机组在静态工况运行时，即水力流态正常且机组负荷稳定时，机组性能好，效率高；机组在动态工况运行时，即水力流态不稳定或机组作动态负荷调节时，机组稳定性相对较差，水力振动明显。随着机组设备在实践中出现的诸多问题，国家电力监管部门在2006年11月3日电监会颁发了《电网运行规则（试行）》22号令，取消了贯流式机组应具备AGC功能的强制性要求。因此，灯泡贯流式水轮发电机组不适宜做持续的负荷调节，运行时应尽量避免机组较长时间参与系统的动态控制或频繁调节负荷。

2、贯流式机组应在协联工况下运行，并尽量避开运行振动区

由于水力振动及机组本身固有的振动不可避免的存在，在确保机组在协联工况运行的同时，还应尽量躲避机组运行振动区。有条件的水力发电企业还可以通过安装机组振动在线监测系统帮助收集机组运行的振动情况参数，以便进行分析，运行人员应根据机组运行的特点尽量避免机组在振动区运行，确保机组安全稳定，提高机组效率及寿命。

3、机组检修时，应特别注意检查机组容易受到水力振动损害的部位

按规程规范的要求进行着色探伤或超声波探伤等检测，避免机组在运行过程出现事故。