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混流式水力机组减振探讨

　　摘要　　水轮发电机组在运行中的振动是一种普遍存在的不可能完全避免的现象,有设计、制造、安装、检修、运行等多方面的原因。但剧烈的振动可能导致水力机组结构破坏、降低运行效率和机组出力。异常振动一旦发生，小则产生噪音，大则危及安全，造成事故，给电厂带来巨大的损失。

关键词水力机组 减振 探讨 结构优化
　　水轮发电机组在运行中的振动是一种普遍存在的不可能完全避免的现象,有设计、制造、安装、检修、运行等多方面的原因。但剧烈的振动可能导致水力机组结构破坏、降低运行效率和机组出力。异常振动一旦发生，小则产生噪音，大则危及安全，造成事故，给电厂带来巨大的损失。
　　随着机组尺寸的增大，机组部件的相对刚度减弱，固有频率降低，增加了发生局部共振的可能性。近年来，国内一些大型机组频频出现振动，如岩滩、东江、五强溪、乌江渡等大型电站都有不同程度的振动，以至于对机组的运行构成了危害和限制，即使是我国正在建设的举世瞩目的三峡机组也面临着稳定性的严峻挑战。所以，对水力机组振动问题进行研究具有十分重要的意义。
1　基本概念
1．1　机组振动的原因
　　各种干扰力对水轮机的作用是使水轮机产生振动的主要原因。水轮机的振动可分为水力振动、机械振动和电磁振动。
　　a．水力振动：引起水力振动的原因有流道中水流的不均匀，卡门涡列诱发转轮叶片振动、迷宫间隙不均产生的振动、尾水管中涡带引起的低频振动等。
　　b．机械振动：机械振动主要是由于水轮机和发电机的结构不良或制造、安装质量较差造成的，如轴线曲折、倾斜，推力轴承安装不良以及导轴承间隙过大等。均能引起机械振动。
　　c．电磁振动：电磁振动主要是由于水轮发电机设计不合理或制造、安装质量不良以及转子匝间短路等所产生的不平衡电磁力造成的。
1．2　减振的方法
a．消振：即消除或减弱振源，这是治本的方法。
　　b．隔振：在振源与受控对象之间加1个子系统称之为隔振器，用它减小受控对象对振源激励的响应。
　　c．吸振：又称动力吸振。在受控对象上附加1个子系统，用它产生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应。
　　d．阻振：又称阻尼减振。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量而使响应减小。
　　e．结构修改：通过修改受控对象的某些参数使振动满足预定的要求。
2　减振的措施
2．1　减小卡门涡振
　　卡门涡主要出现在导叶和叶片的出水边，它的频率是以比较单纯的噪声形式表现出来，其频率计算式为f＝sv／d。故在设计转轮、叶片或导叶时，要求机组及零部件的固有频率避开卡门涡频率，或选用在生产实践和试验研究证明是较好的叶型，而对于以投产运行的机组，则只能采取下列措施：
a．避开共振流速运行；
b．修改叶片的形状；
c．改变叶片的刚度。
　　如浙江省黄坛口水电站的4台HL310－LJ－230水轮机转轮，涡列频率与转轮叶片长期处于共振频率下运行，使叶片产生疲劳裂纹。采用修整叶片出水边厚度和形状的方法，改变了卡门涡列产生的干扰频率；在转轮靠上根部叶片出水边附近的叶片之间加焊14根Φ38×4的无缝钢管撑筋，增加了转轮叶片的固有频率。这样一来，共振现象消失。
2．2　混流式水轮机组迷宫止漏环的减振
　　机组转动部分质量不平衡、转子迷宫环加工不圆、机组吊装时转轴不对中等都会使运行中出现迷宫间隙不均匀，产生不平衡的侧向力，激发机组的自激振动，特别是混流式水轮发电机组，其止漏装置相对比较复杂，间隙一般也较小，很容易在间隙中造成较大的压力脉动。
对迷宫止漏环的振动，可用以下方法减振：
　　a．向背面空腔补压缩空气。由于空气具有可压缩的特性，它使边缘间隙的流速减小，从而使振动减小，甚至消除。土耳其卡拉乔仑电厂就成功地使用了该方法，具体措施是：用一根Φ20的管子接顶盖补气孔，另一端用胶皮管与空压机相连，在自激振动区从顶盖向水轮机补压缩空气，气压为0．4MPa。顶盖强迫补气后，振动立刻大幅度减小，自激振动消失。
　　b．扩大外迷宫间隙。扩大外迷宫间隙相当于增加密封间隙处的流量，从而引起背面空腔内水流流态的变化，起到消除振动的作用。迷宫间隙的扩大还使得转轮的偏心相对减小，不平衡力相对减小。一般迷宫间隙δ＝0．1％～0．2％转轮直径较合适。四川省渔子溪电站四号机组也出现过下梳齿迷宫不均匀水流所激发的振动。将转轮上冠与下环进口处的间隙由原来1mm车削至2．5mm；支撑环过水部分车削掉20mm，其它部分车光滑，在过水面上钻Φ40孔20个，使内外压力相同后，异常振动问题得到解决。
　　c．改变迷宫结构。将下梳齿改为阶梯式结构，产生的不平衡力虽然较大，但作用力方向与偏心方向相反，有利于机组稳定运行。将梳齿高度缩短、减小梳齿半径，这样可减小承受不平衡力的面积，从而起到减小不平衡力的作用。
　　d．在转轮下腔增设均压管，以均衡下腔水压力。在转轮下腔的下支持环上开孔，也可起到均压作用，从而减小压力脉动。
2．3　消除尾水管涡带引起的振动
　　水轮机在部分负荷运行时，尾水管内由于复杂的涡旋运动，而出现涡带的大幅度振摆，从而引起尾水管壁及转轮的剧烈振动，严重时甚至可能造成引水管和厂房的共振。
减少已存在的脉动，可以使用以下几种措施：
　　a．正确选择尾水管内的流速分布，并使水流进入肘管和喉部以前，降低锥管段的流速是很重要的，建议所有机组尾水管喉部的流速不得超过3．5m／s。这样将使转轮出口流速在进入尾水管锥段时急剧降低，从而导致尾水管中心部分压力增加，同时也就减小涡旋强度和转轮叶片下面所造成的涡带大小，减小了尾水管中的压力脉动。
b．改变泻水锥或尾水管的结构。
　　加长泻水锥，拜德埃斯普瓦电站将转轮泻水锥伸出转轮底部约600 mm，使其处于涡带的低压真空处。经改装后，所有机组运行稳定。
　　加长尾水管锥段，加长锥管和加大扩散角、支墩尽量靠近下游侧，都可以增加尾水管的效率和稳定性。
　　加大尾水管锥角，尾水管锥角扩大后，尾水管的涡带刚刚形成即扩散消失，不能形成长尾水涡带，撞击管壁。所以尾水管相对振幅较小。
c．装设导流装置
　　十字架减振装置可使高负荷工况时的涡带脉动值降低70％，此法在努列克9台机组上得到实施，使水轮机出力增加9．6％。
　　在尾水管上装设同轴扩散管，可以控制涡带偏心距，使尾水管更加稳定，防止尾水涡带的旋进运动。同轴扩散管也可以以同轴导流片代替，导流片的大小、安放位置、距转轮远近等因素对消除涡振的效果都有明显的影响。
　　翼形稳流装置是一项改善稳定性效果很好的措施，其原理是在尾水管内装设翼形稳流装置组成的叶栅。当水流浇流叶栅时，改变流动方向，达到减小平均速度矩，降低压力脉动的目的。
d．补气
　　依据国内外有关水压脉动及补气资料分析，在中、高水头的水轮机中，当转轮直径D1＞4 m，相对振幅大于3％～5％，水压脉动绝对值大于50 kPa时，应进行补气以消除水压脉动。独联体在许多水电站上进行了最小补气研究。已查明，为了保证混流式水轮机在低负荷工况下稳定运行，必要的补气量为额定出力下水流量的0．8％～1．2％；在中负荷工况下为0．1％～0．3％。
　当转轮相对下游水位的埋入深度不超过6～7 m时，则可通过转轮中心孔和转轮泻水锥实现自然补气，这已在独联体多个中、低水头混流式水轮机上采用。
2．4　机械原因引起的振动
　　减小机械原因引起的振动一般要注意以下几点：
a．提高制造和安装精度；
　　b．防止推力头松动。推力头是推力轴承关键而重要的零件之一，要求它与轴颈配合后不允许有任何的松动产生。推力头松动后将严重威胁机组运行的稳定性。
　　如我国广东某电站，3台机在首次装配时均将推力头经过预热进行套装，而在检修时均取消了这一工序。运行时间增长，松动情况越来越严重。其中以3号机组最为突出，上机架水平振动大至0．095mm，励磁机火花严重，机组被迫停机检修。
　　用收紧对称方向上的螺帽拆装推力头的传统人工机械方法，是加速推力头磨损的主要因素。建议采用油压千斤顶拆装推力头，这样可以减轻推力头拆装过程的磨损。
　　推力头套装前，配合面应涂防腐性强的物质，如石墨粉或二硫化钼润滑剂等，避免表面腐蚀破坏。
2．5　减小电气原因产生的振动
a．避免超／次谐波共振
　　水轮发电机转子的临界转速在大多情况下均高于其工作转速，经研究发现当临界转速接近于2倍或3倍工作转速时，会出现超谐波共振；对于特殊要求的水轮机组，若设计临界转速低于其工作转速，则当临界转速接近于1／2倍或1／3倍工作转速时，会出现次谐波共振。以上两种情况在机组设计中应予以避免。
　　b．定子铁芯组合缝的松动。机组长期运行，由于定子铁芯各部件温度变化差异引起内应力的变化不同，引起定子铁芯组合缝松紧度产生不均匀变化，从而造成组合缝的垫片损坏和松动。处理的办法是：用电钻钻开，分解定子组合缝，刮掉并清洗原有垫片，重新加垫。加垫厚度视检查合缝面间隙大小而定，一般垫片厚度比合缝间隙大0．2～0．4 mm，个别情况也可大到0．6 mm。为使铁心的合缝面紧密贴合，可采用有机玻璃合缝面垫片和环氧树脂粘结剂。
　　c．定子铁芯松动。定子铁芯松动是指定子铁芯迭片松动，片与片之间产生间隙。运行中常见的铁芯松动发生在铁芯根部、齿压板压指、边段铁芯以及合缝铁芯处。
　　定子铁芯松动处理，一般是铲掉压紧螺栓的点焊，将定子铁芯硅钢片压紧，紧固压紧螺栓和顶紧螺丝。为了预防定子铁芯的振动，可将装配好的铁芯预拉，当发电机带励磁时，随着铁芯温度升高预拉应力将降低，或变为零，甚至改变应力方向，这样能从根本上防止在铁芯中形成波浪度。
　　铁芯预拉可有2种方法：一是在机座承受预压的情况下进行铁芯迭片的组装，组装后再除掉预压应力；二是对机组装好的铁芯，给予预拉伸后固定在机座上。

　　3　机组减振的结构优化
3．1　水轮机轴承的结构
　　水轮机轴承的主要作用是固定机组的轴线位置，承受由水轮机主轴传来的径向力和振动力。从改善轴承受力条件出发，轴承位置应尽可能接近转轮，使转轮对轴承位置的悬臂最短这样可使水轮机工作更稳定且轴承本身的工作条件更好。
　　水轮机轴承的结构型式很多，但从机组减振的角度来考虑，应优先选用水润滑的橡胶轴承。该轴承的轴承体上镶有6～12块橡胶轴瓦，用螺钉固定在轴承座上，橡胶能对机组的振动起吸振作用，且橡胶轴瓦磨损后可在背面加垫调整，或者完全更换。橡胶轴承下部不布置密封装置，轴承可以尽量靠近水轮机转轮，这样便提高了运行的稳定性。
3．2　机墩的形式和布置
　　发电机机墩为发电机的支撑结构，一般用钢筋混凝土建造。由于机墩要承受发电机传来的动荷载和静荷载，故机墩的设计除考虑静荷载引起的应力外，还应考虑动荷产生的扭矩、振幅，且机墩设计应以承受动荷为主，它产生的扭矩往往是主要荷载。机墩有4种型式：圆筒式、环形梁式、矮机墩及构架式机墩。其中圆筒式机墩与其它几种型式的机墩比较，其优点是刚度大，抗扭振性能好。
　　圆筒式机墩的风罩与发电机楼板连接方式有整体式、简支式、分离式3种。
　　整体式的型式可增加机墩的抗扭、抗水平力的刚度，但机墩振动较厉害时，易使楼板连同机墩一起振动，影响楼板上仪表的监测，而且因机墩混凝土的收缩易使楼板产生裂缝。
　　而布置简支式的机墩可避免楼板连带的振动，且可在支座处设置弹性防振垫层，起到隔振作用。故应优先选用简支式连接方式的圆筒式机墩。
3．3　合理设计转轮
　　转轮设计的好坏直接影响水轮机的性能，如尾水管的涡带源于转轮出口环量，合理设计转轮和流道，就有可能使转轮的稳定运行区域增加和更加趋于合理。
　　在转轮设计中，传统的方法经验因素占主导地位，设计结果具有一定的偶然性，往往要预先制造多个转轮来从中选择。因为在设计转轮时，以转轮前的来流为均匀来流进行转轮设计，然而不均匀来流才符合转轮前来流的真实情况。所以，比照传统转轮，按不均匀来流方法设计转轮，采用流线改型法。在流线改型设计时考虑到强度问题，可对流面翼型进行加厚处理，以满足强度要求。这样设计出的转轮压力脉动较低，且效率高。目前已设计出的优秀转轮有A616型转轮和A643型转轮。