胡磊

東江水力發(fā)電廠 湖南資興 423403

1 小東江水電站的概況

小東江水電站位于湖南省資興市境內(nèi)的湘江支流耒水上游資興境內(nèi)，裝有單機(jī)容量7.0MW軸流定槳式機(jī)組兩臺、20.5MW轉(zhuǎn)漿式機(jī)組2臺，總裝機(jī)容量為50MW,該電站只用于發(fā)電，不承擔(dān)防洪、航運(yùn)、灌溉等其他任務(wù)，對洪水無調(diào)節(jié)作用。

2 軸流定槳式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

軸流式水輪機(jī)與混流式水輪一樣屬于反擊式水輪機(jī)，二者結(jié)構(gòu)上最明顯的差別是轉(zhuǎn)輪，其次是導(dǎo)葉高度。軸流式水輪機(jī)用于開發(fā)較低水頭（3m-55m），較大流量的水能資源。它的比轉(zhuǎn)速大于混流式水輪機(jī)，屬于高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)。在低水頭條件下，軸流式水輪機(jī)與混流式水輪機(jī)相比較具有較明顯的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)它們使用水頭和出力相同時，軸流式水輪機(jī)由于過流能力大可以采用較小的轉(zhuǎn)輪直徑和較高的轉(zhuǎn)速，從而縮小了機(jī)組尺寸，降低了投資。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，由于槳葉和導(dǎo)葉隨著工況的變化形成最優(yōu)的協(xié)聯(lián)關(guān)系，提高了水輪機(jī)的平均效率，擴(kuò)大了運(yùn)行范圍，獲得了穩(wěn)定的運(yùn)行特性，是一種值得廣泛使用的優(yōu)良機(jī)型。

3 運(yùn)行現(xiàn)象

我廠軸流定槳式機(jī)組，由于當(dāng)初建造選型等歷史遺留問題，機(jī)組型號不匹配，在安裝工藝上，由于小東江電站為大東江電站整個建造工期的附屬工程，在水工建筑尤其是機(jī)坑精度方面以及機(jī)組裝配方面精度不夠，且軸流定漿式機(jī)組是高比轉(zhuǎn)速機(jī)組，故機(jī)組振動問題嚴(yán)重，在小東江水電站2#機(jī)就出現(xiàn)齒盤測速探頭被磨損，齒盤測速裝置振壞而停用，造成其更換頻繁，備品消耗嚴(yán)重；由于振動，多次出現(xiàn)導(dǎo)葉、輪葉位置傳感器電氣連接插把松動脫落而引起機(jī)組停機(jī)或或停機(jī)不下，2＃機(jī)導(dǎo)葉拐臂連桿多次脫出，2＃機(jī)漿葉操作油管先是下端開裂或后就上端斷裂也與振動原因分不開。下面就軸流定槳式水輪機(jī)水力振動的形成、危害、運(yùn)行注意事項(xiàng)進(jìn)行簡單分析[1]。

4 軸流定漿式水輪機(jī)水力振動

水力振動是機(jī)組振動的重要干擾源，就軸流定槳式水輪機(jī)而言，水力振動主要由以下原因引起，即：渦帶振動、卡門渦列、狹縫射流、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等。

4.1 渦帶振動

根據(jù)速度三角形可以知道，由轉(zhuǎn)輪流出的水流方向，在最優(yōu)工況時，大致為軸向，但是，機(jī)組負(fù)荷不可能總是在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷大于最優(yōu)工況時，水流就具有與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)分量；而負(fù)荷比最優(yōu)工況小時，就具有與旋轉(zhuǎn)方向同向的旋轉(zhuǎn)分量，這樣，在尾水管中心附近就產(chǎn)生具有某個邊界層的旋轉(zhuǎn)渦帶。渦帶中心壓力較低，在尾水位低時，其中心部分壓力更低，形成汽蝕，這就是一般稱為的“空腔汽蝕”。在高負(fù)荷運(yùn)行時（水輪機(jī)額定出力周圍），渦帶往往比較穩(wěn)定；而在低負(fù)荷運(yùn)行時，渦帶成為龍卷狀，在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)擺動，從而在尾水管內(nèi)引起壓力脈動，在水輪機(jī)運(yùn)行層可以聽到“空空”的聲響。其壓力脈動頻率為：

f=n/（60Z）

式中f壓力脈動頻率（Hz）

n水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）

Z經(jīng)驗(yàn)值，一般取3-4（有時也接近于1-5）

壓力脈動的頻率和幅值是隨機(jī)組工況的變化而變化的。假若與過水系統(tǒng)水壓脈動頻率共振時，就造成水輪機(jī)整個過流系統(tǒng)的強(qiáng)烈水壓脈動，即尾水管、管型座和電站水工建筑物等的振動。并且會引起機(jī)組轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，造成并網(wǎng)困難，尤其機(jī)組帶資興單網(wǎng)運(yùn)行時機(jī)組轉(zhuǎn)速更加不穩(wěn)定，這在小東江水電站已經(jīng)出現(xiàn)過。另外，當(dāng)小東江電站機(jī)組處于“飛逸”泄水工況時，尾水管進(jìn)口處的壓力脈動更大。

4.2 由卡門渦引起的振動

卡門渦是一種渦列，當(dāng)流體流過一圓柱體或板（包括一般不繞流體）時，在物體后面就會沿著兩條互相平行的直線產(chǎn)生一系列相隔一定距離的單渦（見圖1）。這一系列單渦稱之為卡門渦列。各個單渦以相反的旋轉(zhuǎn)的形式交替在物體兩后側(cè)釋放出來，與此同時，物體就受到與來流方向垂直的很強(qiáng)的交變力。這種交變力與旋渦頻率相同。其振動頻率為：

f=St*V/δ

式中f振動頻率(Hz)

St斯特雷哈系數(shù)（一般取0.15-0.2）

V：繞流流速(m/s)

δ：圓柱體直徑或板厚(m)

Vδ

圖1 卡門單渦示意圖

這種渦列在水輪機(jī)運(yùn)行中也經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)葉和輪葉在具有鈍尾時，就會在葉片后面出現(xiàn)卡門渦列，，因此，在機(jī)組檢修過程中，應(yīng)特別注意疲勞裂紋的檢查。

這種渦的發(fā)生與否，與水流中物體的形狀有關(guān)，其頻率受水流流速的影響。因此，流速達(dá)到某一值，共振條件一成立，就會發(fā)生強(qiáng)烈的振動。所以實(shí)際水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，卡門渦列引起的振動是在一定的工況下發(fā)生。下面列出卡門渦列與渦帶的區(qū)別（見表1），以供運(yùn)行人員在水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中參考。

4.3 狹縫射流

表1 渦帶與卡門渦列的區(qū)別

在軸流定槳式水輪機(jī)中，由于轉(zhuǎn)輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在輪葉外緣和轉(zhuǎn)輪室之間的狹窄縫隙（小東江水電站的間隙是7mm）中，形成一股射流，其速度很高而壓力非常低。在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)輪室壁的某一部分在葉片達(dá)到的瞬間處于低壓；而在輪葉離去后又處于高壓，如此循環(huán)，形成了對轉(zhuǎn)輪室壁的周期性壓力脈動，從而產(chǎn)生振動，導(dǎo)致疲勞破壞。這種振動的頻率為：

f=（Z1n）/60

f：壓力脈動頻率（Hz）n：水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）Z1：葉片數(shù)目(小東江電站7片)

4.4 協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)中協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確或協(xié)聯(lián)曲線與上游水位不一致（如上游水位高而協(xié)聯(lián)曲線低）時，一方面會引起調(diào)速器系統(tǒng)持續(xù)振蕩過程變長，機(jī)組出力、轉(zhuǎn)速發(fā)生振蕩，轉(zhuǎn)動部分扭矩就會引起大軸變形，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動；另一方面，由于水流情況惡化，在水導(dǎo)軸承、組合軸承處引起軸向振動，對于小東江水電站（轉(zhuǎn)輪直徑5600mm）而言，這種情況表現(xiàn)更為強(qiáng)烈。

同時，協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確時，轉(zhuǎn)輪葉片不再具有無撞擊進(jìn)口，水流對葉片就會產(chǎn)生沖擊，在不斷的調(diào)節(jié)過程中，由于沖角隨時在變化，作用在葉片上的負(fù)荷及由此而產(chǎn)生的葉片扭矩、變形等也相應(yīng)變化，這些變化過程就反映了振動的進(jìn)程。

4.5 其它原因引起的振動

當(dāng)水輪機(jī)汽蝕嚴(yán)重時，同時產(chǎn)生機(jī)械振動和噪音，特別是在低水頭低負(fù)荷時，轉(zhuǎn)輪葉片沖角變化較大，使葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈的脫流旋渦，一方面惡化汽蝕現(xiàn)象，另一方面引起轉(zhuǎn)動部分和尾水管的振動，這種振動頻率沒有一定規(guī)律。這種振動稱之為由汽蝕引起的振動。另外，在停機(jī)或甩負(fù)荷導(dǎo)葉快關(guān)時的反水錘，也會引起機(jī)組振動。

5 結(jié)語

以及現(xiàn)場運(yùn)行人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮的問題。就小東江電站機(jī)組運(yùn)行方面來說就是避開振動區(qū)運(yùn)行，每次開機(jī)帶滿負(fù)荷后根據(jù)當(dāng)時實(shí)際水頭設(shè)置相應(yīng)的導(dǎo)葉、負(fù)荷協(xié)聯(lián)曲線，在運(yùn)行過程中上游水位降底或升高時即使調(diào)整導(dǎo)葉、負(fù)荷協(xié)聯(lián)曲線，且盡量使機(jī)組在額定水頭左右運(yùn)我國國土遼闊，低水頭資源相當(dāng)豐富，軸流定槳式機(jī)組作為開發(fā)低水頭資源的既經(jīng)濟(jì)又適用的主導(dǎo)機(jī)型，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，但其水力振動和噪音普遍偏大，如何減少機(jī)組振動和噪音，是設(shè)計(jì)人員、科研工作者行，帶資興小網(wǎng)運(yùn)行時因水輪機(jī)轉(zhuǎn)動貫量小不僅振動大且機(jī)組來回抽動，很難穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)盡量避免這種運(yùn)行方式。