消声补气装置的研发及运用
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【摘 要】本文介绍了作者在重庆云河水电股份有限公司的技术工作中，针对水电站水轮机的常规补气装置在机组运行过程中产生较大噪音，给电站运行管理人员以及附近居民的身体健康带来较大危害，特设计制造出带有消声功能的补气装置，以达到降低水轮机补气装置噪音的目的。经电站实际运行表明：新型带有消声功能的补气装置，能有效降低补气时的噪音，改善了水电站周边的生存环境。
【关键词】消声；补气装置；健康
1、引言
在水电行业中，混流式水轮机偏离最优工况运行时，由于水流的扰动，不同程度地存在压力脉动。一般在40～70%额定出力时，尾水管内会出现涡带。由于涡带强烈扰动，或其频率与机组的固有频率重合时，就会产生共振，引起机组的振动或负荷摆动。高比转速低水头大流量水轮机组尤其明显。补气装置的作用就是在出现这种不稳定工况时，及时补入空气，借以吸振及降低涡带强度。经几十年运行试验表明改善机组运行状态的效果的确非常好。在水轮机组中，有各种不同的补气方式，补气装置设置的位置也各不相同。但不管是采用何种补气方式，常规补气阀是设置在厂房内还是厂房外，普遍反映的问题是噪音扰人。设置在厂房内运行人员受不了，笔者就曾经亲眼见到一中小型电站因运行人员受不了厂房内的噪音而将补气阀长期关闭，导致机组振动以及转轮很快严重汽蚀而破坏；设置在厂房外，电厂附近居民因受不了噪音对电厂常提出抗议的事例也不少见。鉴于以上因素，研制出具有消声降噪功能的补气装置很有必要，以维护运行人员及附近居民的身体健康！
2、结构介绍
2.1常规吸力式补气阀的
常规补气阀主要由阀座、阀盘、阀体、阀轴、弹簧、压盖、调节螺母等零件组成。阀座通过管道与水轮机尾水管相连，当尾水管内达到一定的真空度时，产生的吸力吸开阀盘进行补气。需要补气的真空度值经过计算确定后可通过调节螺母调整弹簧的压紧量来进行整定。
2.2消声补气装置的结构见图二
消声补气装置主要由常规补气阀和消声罩两部份组成。
3、消声补气装置的设计
3.1补气阀的设计
补气阀按照常规的水轮机补气阀进行设计计算，具体计算可参考水轮机设计手册。计算时只是需考虑增设了消声罩后由于对气体产生的阻损而实际补气量降低的影响，需要对计算的理论补气量进行适当正修正，即要适当增大补气阀的直径。
3.2消声罩的设计
本文中的消声罩属于阻抗型消声器这一种类。进气前段采用迷宫型阻性消声器结构，进气后部采用扩张室型抗性消声器结构。迷宫部份对声波既有阻性作用，又有抗性作用。其特点是消声频率范围宽，其消声量的计算式为：
L=10lg[αxA/Ae/（1-α）]
α-材料的吸声系数
A-吸声材料表面积
Ae-消声器进（出）口截面面积
由以上消声量的计算式可知，只要合理设计迷宫室和进口管的几何尺寸，达到约5-10dB的消声量是可行的。
进气后段扩张室部份。其消声量的计算式为：
L=10lg[1+（me/2）2sin2kl]
m-气流速度v=0时的扩张比，m=S2/S1；
k-波数，k=2π/λ=2πf/c
c-声波在消声器内气体温度下的声速（m/s）
l-扩张室长度（m）V-扩张室体积
me-等效扩张比，me=m/（1+Mm）
M-马赫数，为气流速度与声速之比；
消声器上限消声频率：f上=1.22c/D
D-扩张室的几何尺寸
消声器下限消声频率：f下=20.5c/2/Πx[S1/（LxV）]0.5
由以上消声量的计算式可知，消声量主要与声波频率和扩张比有关，而扩张比与扩张室面积和进口管的截面积有关。增大扩张比，在进口管已确定的情况下，也即加大扩张室面积，可达到大的消声量。但加大扩张室面积会带来制造成本的增加，有时也要受到结构空间的限制。可见，是不可能无限增大扩张比的。根据本人实际使用经验，只要合理设计扩张室和进口管的几何尺寸，综合考虑消声效果以及经济性，比较经济的扩张比为8～12倍时，至少达到5～8dB的消声量是可行的。
综合上述两段结构的消声效果，达到10～18dB的消声量是可行的。
4、小结
本实用新型结构简单，操作方便，成本低廉。这一消声量对水电站补气阀的运行环境会带来根本性的改变，对电站运行管理人员以及附近居民的身体健康可降低甚至完全消除补气时噪音带来的危害。尤其是对卧式水轮发电机组，为了厂房内管路布置简单，常规补气阀一般均设置在厂房内的尾水管进口段上方，厂房内的综合噪音很难达到国标规定的90dB以下要求。采用消声补气装置后能满足国标要求，甚至可将厂房内的噪音降低到85dB以内。新疆古尔图电站实际运行也表明：新型带有消声功能的补气装置，能有效降低补气时的噪音，改善了水电站厂房内的生产环境，以达到安全生产、文明生产。此种技术改进也说明了水轮机的技术革新潜力是无限的，但应该从点滴做起。
参考文献
[1]《水轮机设计手册》，哈尔滨大电机研究所，北京：机械工业出版社，1976
[2]《机械设计手册》.第5卷 机械设计手册编委会编著.-3版-北京：机械工业出版社，2004.8