（船舶与海洋工程专业论文）高水头水轮机主要部件振动研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 摘要 高水头水轮机是指转轮叶片在运行中不能进行调节的水轮机，通常广泛应 用的型式为混流式，其产品明显的应用优势是单机容量大，但机组在运行中容 易出现稳定性问题。本文针对水力发电站高水头水轮机( 混流式) 的结构特点， 结合目前国内外水电站运行的水轮机的振动情况，对水轮机的振动问题进行了 论述、归纳和总结，并以哈尔滨电机厂有限责任公司为三峡右岸水电站提供的 7 0 0 姗水轮机为例对影响水轮机运行稳定性和可靠性的主要部件转轮、顶盖和 导水双列叶栅进行了分析。系统提出了从机械振动角度水轮机转轮振动问题的 研究方法，介绍了水轮机转轮固有频率有限元计算方法、模型和真机转轮叶片 动应力的测试方法，并对三峡右岸水电站水轮机转轮可能发生共振的激振频率 进行了计算分析，同时对容易在运行中出现振动问题的水轮机顶盖和双列叶栅 进行了分析计算。为今后在产品设计和电站运行阶段高水头水轮机主要部件的 振动问题的处理提供了系统的分析研究思路。 关键词：水轮机振动稳定性转轮频率 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i g hh c a dh y d r a u l i ct u r b i n e sa l ef e a t u r e dw i t ht h en o n - a d j u s t a b l e r u n n e rb l a d e st oa d a p tt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n , t h et y p i c a lt y p ei st h ef r a n c e s w h i c hi se x t e n s i v e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d t h eu s a g ea d v a n t a g ef o rt h i st y p e i st h eb i g g e rc a p a c i t yp e ru n i t ，a n dt h ed i s a d v a n t a g ei st h eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t y p r o b l e mo e c u l 售f r e q u e n t l y t h i sp a p e rd i s c u s s e da n dc o n c l u d e dt h ev i b r a t i o n i s s u ef o rt h eh i g hh c a dt u r b i n e sb a s e do nt h es t r u c t u r ef e a t u r eo ft h eh i g hh e a d t u r b i n e , a n di n t e g r a t e dt h et u r b i n ev i b r a t i o ne v i d e n c eo b s e r v e di nt h eu n i t o p e r a t i o no f t h ed o m e s t i ca n da b r o a dh y d r a u l i cp o w e r s t a t i o n t h i sp a p e rf o c u s o nt h eo p e r a t i n gs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i so ft h em a i nc o m p o n e n t s ( r u r m e r ，h e a ! dc o v e r ，d o u b l eg u i d ec a s c a d ep a r t s ) w h i c hi s s e n s i t i v et ot h e t u r b i n ev i b r a t i o nf o rt h e7 0 0 m wu n i tc a p a c i t yt u r b i n es u p p l i e db yh a r b i n e l e c t r i cm a c h i n e r yc o m p a n yl t d f o rt h r e eg o r g er i # a tb a n kp o w e rp l a n t t h ea n a l y s i sm e t h o d sw a ss e tu pf o rt h et u r b i n ei x l n n e rv i b r a t i o ni nt h ev i e wo f m e c h a n i c s ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rn a t u r ef r e q u e n c yo ft h el a l l l l l e r a n dd y n a m i cs t r e s sm e a s u r e m e n tf o rm o d e la n dp r o t o t y p ei b n n e rb l a d e sw e r e p u b l i s h e d t h er e s o n a n tp o s s i b i l i t yb e t w e e nn a t u r ef r e q u e n c ya n de x c i t i n g 8 0 u r c eo ft h er u n n e rf o rt h r e eg o r g et u r b i n ew e r es t u d i e da n dc o n c l u d e d a n d t h ev i b r a t i o nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sf o rt h eh e a dc o v e ra n dd o u b l eg u i d e c a s c a d e ，w h i c ha l ea l s ot h ev i t a lc o m p o n e n t sf o rt h et u r b i n es t a b i l i t y , w e r e c a r r i e do u ta n dc o n c l u d e d t h i sp a p e rw i l lp r o v i d et h es y s t e m i cg u i d e l i n ef o r i n v e s t i g a t i n ga n dd e a l i n gw i t ht h em a i nc o m p o n e n t sv i b r a t i o np r o b l e mo fh i g h h e a dt u r b i n ed u r i n gt h ep r o d u c td e s i g na n du n i to p e r a t i o ni nt h ep o w e rs t a t i o n k e yw o r d s ：t u r b i n e ：v i b r a t i o n ；s t a b i l i t y ；r n n n e r ；f r e q u e n c y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的 作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 坠胁业付 、， 矿 翱 吣 锚 飙 者 ； 恻 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 ，本课题来自于哈尔滨电机厂有限责任公司针对当前国内外普遍存在的水 轮机运行稳定性问题所列的一系列研究课题之一。 1 2 课题背景 水轮机是把水的势能转化为机械能并通过发电机发出电能的发电设备， 是水力发电站的关键设备，水力发电是全世界范围内优先开发的清洁能源， 发达国家的水力资源开发已经达到可利用资源的7 0 一8 0 ，而我国的水力 资源开发( 包括正在开发的项目) 仅为2 8 左右，近二十年来随着我国经济 的高速发展和国家综合实力的加强，水电站的建设如雨后春笋，同时水电站 的装机容量和单机容量都在直线上升，举世瞩目的长江三峡工程总装机容量 达1 8 2 0 0 m w ，单机容量为7 0 0 m w ，是世界上最大的水电站，正在建设或已 经规划近期建设的水电站约有上百台单机容量为7 0 0 m w 左右的水轮发电机 组。但是目前国内外大量的水电站在投入运行后都不同程度地出现了情况各 异的水轮机振动问题，影响电站水轮发电机组的安全可靠运行。例如我国已 投产的大型机组如岩潍、二滩、小浪底、隔河岩、东江、李家峡等等，国外 的塔贝拉、大古力、依泰普等，其水轮机振动问题自运行以来均不同程度地 出现影响安全正常运行的振动区域，尽管通过采取减振措施，振动情况有所 缓解，但尚未根本解决，五强溪、小浪底、李家峡等大型水轮机转轮因振动 引起的叶片裂纹问题还没有彻底根治【6 1 1 2 2 】【3 1 1 1 3 2 1 。 应用于高水头的水轮机通常为叶片无调节性能的混流式，由于其结构因 素的限制，在运行中更容易出现稳定性问题，水轮机的振动往往引起发电机 功率摆动和水轮机部件的疲劳破坏。国内外一些电站调查表明：许多大型机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 组由于振动问题只能限制负荷调节范围；有的水轮机转轮和尾水管因振动产 生裂纹；有的水轮机轴承因振动造成温度偏高或损坏：有的水轮机振动还引 起了水电站大坝的共振掣2 3 1 。 由于引起水轮机振动问题的因素很多，国内外专家都在从不同角度研究， 本课题旨在从机械振动方面对水轮机的主要部件进行研究，以确定其结构设 计的合理性。 1 3 国内外发展综述 1 3 1 国内发展与现状 我国水电设备制造始于1 9 5 1 年，由哈尔滨电机厂自行研制了我国首台单 机容量为0 8 m w 的水轮发电机组，从二十世纪五十年代末期到六十年代初 在前苏联专家的援助下，开发制造了大批单机容量为1 0 0 m w 的水轮发电机 组，六十年代到八十年代初在原苏联技术的基础上自行研制的水轮发电机组 单机容量达到3 0 0 m w 。改革开放以来，通过技术引进和联合设计、合作制 造，国内制造商的技术水平已经可以独立研制单机容量达7 0 0 m w 的世界先 进水平的水轮发电机组。 吉林丰满水电厂是我国最早建成的大型水电厂，始建于1 9 3 7 年，1 9 4 3 年第一台机组发电，在1 9 5 4 - 1 9 5 5 年投入运行的六号和二号机( 从瑞士进口 的水电设备) 由于水轮机的自激振动引起机组振动大、轴系摆度大造成水导 轴承固定螺栓疲劳断裂和水轮机不锈钢轴颈偏磨等严重问题；上世纪六十年 代末到七十年代初，我国自行开发的单机容量为1 5 0 m w 的湖北丹江水电厂 ( 装机六台) 和单机容量3 0 0 m w 的甘肃刘家峡水电厂( 装机五台) 大型水 轮机，其尾水管、转轮、顶盖和引水钢管等部件在保证运行范围内有三个区 域出现了振动问题，其中尾水涡带的激振频率与尾水管和引水钢管发生了共 振现象，严重影响水轮机的安全运行。进入八十年代以来，我国自行研制的 广西岩滩、甘肃龙羊峡、李家峡水电站、云南大朝山水电站，引进德国技术 2 哈尔滨r i = 程大学硕士学位论文 的湖南五强溪和河南小浪底水电站、引进加拿大技术的四川二滩水电站和引 进法国技术广西天生桥一级水电站等一批大型水轮机均出现了因振动引起的 转轮、尾水管等部件的严重裂纹问题，其中大朝山水轮机为转轮叶片的高阶 固有频率与叶片出水边的卡门涡频率耦合发生振动和噪声并造成叶片裂纹， 小浪底水轮机则在机组起动和停机过程中转轮及轴系与水力激振频率发生共 振，并在7 2 小时试运行后转轮所有叶片都出现了裂纹1 1 5 1 。举世瞩目的三峡 水电站水轮机法国a l s t o i v l 机组在关机过程中发生剧烈振动并造成导水机构 大量保护元件破坏，其原因是活动导叶等部件与水力激振频率发生共振【2 “。 我国水电建设起步较晚，于上世纪五、六十年代开始研究水轮机的振动 问题，因当时理论研究处于起步阶段，解决或减小振动的主要方法是机组现 场试验法，即对可能影响水轮机振动的各种因素进行分析并逐项进行试验。 到七十年代我国的水电行业有了较大的发展，自行开发制造了大批 1 0 0 m w - 3 0 0 m w 的水电机组，吸引了大批科技人员研究水轮机的振动问题， 但由于当时西方国家对我国的技术封锁以及研究手段相对比较落后，研究的 重点主要是针对出现振动问题后的解决措旌，主要方法是对结构进行局部加 强或采取结构措施改变激振频率和降低振幅。改革开放以来，我国的水电建 设得到高速发展，通过技术引进及计算机软硬件技术的不断提高，在产品设 计阶段就可以对水轮机振动进行理论分析和预估。但是，由于水轮机设计中 还有很多不确定因素，各种型式的水轮机振动响应有其自身的特点，同时水 轮机的单机容量和机组尺寸也越来越大，振动体刚度和固有频率相对降低， 动载荷相对增大，大型高水头水轮机的振动问题还比较多。近二十年来水 电行业关于振动问题的研究是最热门的课题，并取得了一定的成果，但由于 影响水轮机稳定运行的因素很多，各种理论观点林立，还需要同行专家更加 深入和系统研究。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 国外发展综述 国外的水电设备制造业已经有近一百年历史，但是到上世纪七十年代 至八十年代初十余年中，欧美国家的水电建设才达到高峰，美国、加拿大、 德国、法国、前苏联和挪威等国的水力发电设备的技术水平得到快速发展。 加拿大在1 9 7 2 年投运的丘吉尔水电站机组单机容量达到4 7 5 m w ，同期建成 了一批总装机容量百万千瓦以上的水电站；美国大古力水电站单机容量为 6 0 0 m w 和7 0 0 m w 的机组分别于1 9 7 4 年和1 9 7 8 年投入商业运行；前苏联 单机容量为6 5 0 m w 的萨彦舒申斯克的水电机组交付使用；七十年代始建至 今仍为已投运的世界上总装机容量最大的巴西伊泰普水电站单机最大出力 达8 0 0 m w 的机组( 德国和法国设备) 于1 9 8 3 年投入运行。 国外对水轮机的振动研究比较早，但由于受当时测试技术水平和计算机 分析工具落后等因素的制约，国外的水电行业早期对水轮机振动问题的分析 研究总体上是肤浅的，往往通过避开振动区运行来确保机组的安全。在上世 纪七十年代开始由于机组容量的增大和应用参数水平的提高及电站运行条 件的苛刻，不少由国外知名厂商制造的大中型水轮机均出现了严重的水轮机 振动问题：在七十年代南美、北美和欧洲共有1 8 个大中型电站水轮机固定 导叶发生了异常噪声和振动并造成固定导叶出现裂纹，其中墨西哥的l a v i l l i t a 水电站水轮机一只固定导叶脱落导致了转轮破坏【4 1 ；美国大古力电站 3 台7 0 0 m w 机组因振动转轮产生裂纹、而3 台6 0 0 m w 机组因振动大只能 限制在很窄的范围内运行；日本日立公司为美国c h fj o s e p h 电站提供 的1 1 台水轮机投产后因振动大、转轮叶片裂纹严重只好重新更换转轮；加 拿大g e 公司为巴基斯坦塔贝拉电站提供的5 # - - - 8 # 水轮机( 单机容量 1 7 8 2 m w ) 和瑞士s u l s e r 公司设计由加拿大d b s 公司制造的1 1 # - - - 1 4 # 水 轮机( 单机容量4 4 4 6 m w ) 均应高水头部分负荷工况动态负荷诱发振动。 造成转轮叶片裂纹和尾水管开裂，花了大量的人力物力，通过全面的水力和 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结构刚强度研究分析，采取补压缩空气和改进结构才使水轮机维持运行【4 i j ； 前苏联的布拉茨克电站( 1 2 台2 5 5 m w ) 、克拉斯诺雅尔斯克电站( 1 2 台 5 0 $ m w ) 和萨彦舒申斯克电站( 1 0 台6 5 0 m w ) 的水轮机均因振动阄题导 致转轮叶片裂纹等1 1 4 1 1 9 1 。 进入九十年代，随着现代测试技术的高速发展、性能优良的有限元分 析软件和计算机c f d 技术应用于水轮机的设计开发中，水轮机的振动研究 取得了长足进步，但是由于各水电站水轮机设计和运行条件不同以及影响水 轮机稳定性的因素错综复杂，目前的技术水平还不能采取有效措施避免水轮 机出现振动问题。如国外知名公司近十年内为中国的小浪底、大朝山、二滩 等水电站提供的水轮机均不同程度地出现了振动问题。 1 3 3 主要研究内容和方法 水轮机的稳定性问题，因诸多条件不具备相似性，真机与模型之间及真 机与真机之间缺乏可靠的换算方法【2 5 1 1 2 6 1 。常规方法是测定水轮机模型或真机 的尾水管压力脉动值h h ，但是h h 并不是表征机组稳定性的唯一 因素。通常水轮机稳定水平取决于两个因素，一是激振力的大小和频率，二 是振动部件的静、动力响应特性 7 1 。如何预估水轮机真机的运行稳定性是值 得深入研究的课题。水轮机的振动问题研究是目前水电行业中普遍关注的重 要课题。本文对水轮机主要部件如转轮、顶盖和导水双列叶栅部件的机械振 动问题进行研究和探讨。其中包括水轮机转轮振动综述，水轮机转轮振动计 算分析，水轮机转轮的自激振动，水轮机转轮的振动测试，水轮机导水部件 振动。 本文的研究方法是通过收集目前水电站出现的水轮机振动问题的相关资 料，对水轮机主要部件的振动进行了分析和总结，结合三峡水电工程右岸水 轮机的开发，系统地提出研究分析水轮机主要部件振动问题的基本思路。 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 2 1 概述 第2 章水轮机转轮振动综述 水轮机转轮的功能是将水的势能和动能转化为用于发电的机械能，水轮 机转轮是制约水电站能否真正发挥其发电效益的最关键部件之一，技术要求 高、制造难度大。转轮的流道包括叶片翼型尺寸的设计是基于其具有良好的 水力性能，即能量指标、稳定性和空化性能的最佳均衡，通过计算机c f d 技 术和模型试验最终确定。对于高水头水轮机由于其转轮叶片是不可调节的， 转轮在运行中的振动是其固有特性，但是为保证电站的安全应避免发生共振 并尽可能减小振动幅值，降低作用于叶片上动应力，延长转轮的使用寿命。 2 2 转轮振动 水轮机是水力发电机组原动机，其转轮的振动往往会引起整台机组的振 动，使机组的运行限制在很小的范围，制约了水电站在电力系统中承担调峰 的作用，并由于振动产生叶片裂纹，严重影响水轮机的安全运行和经济效益， 经调查目前国内大中型机组出现转轮叶片裂纹的部分水电站见表2 1 。国外的 一些大型水电站水轮机也出现过叶片裂纹闯题：如美国的大古力m 水电站 6 0 0 m w 、7 0 0 m w 水轮机，加拿大的拉格朗德水电站4 0 0 m w 水轮机及巴 基斯坦的塔贝拉4 0 0 m w 水轮机等等。转轮振动及叶片产生裂纹的原因大体 可分为以下四种情况： 2 2 1 转轮与激振频率发生共振 在水轮机运行过程中，不同的运行工况其水力激振频率的频谱会有较大 差别，如果转轮在水中的固有频率与某一激振频率耦合就会产生共振，造成 机组强烈振动和叶片发生裂纹等严重问题。 6 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 黄河小浪底水电站装有6 台单机容量为3 0 0 m w 的水轮发电机组，1 9 9 9 年底首台机组发电，水轮机在起动和停机过程中出现机组轴系严重抖动现象， 并伴随着异常噪声。在机组7 2 小时试运行阶段转轮的大部分叶片出现了贯穿 性裂纹，为了找出原因现场对机组的各部件进行了测试和分析，最终发现是 由于水力激振频率与转轮的固有频率相耦合发生共振所致，并在大负荷下叶 片出水边卡门涡频率与转轮高阶自振频率耦合造成叶片的高频和较高幅值的 动态应力促进了裂纹的发展。实测数据表明在起动过程中作用在叶片上的最 大动应力达_ + 2 8 0 m p a ，频率为1 2 8 h z 。为解决此共振问题对叶片进出水边进 行了修型，同时在机组起动和停机过程中补入压缩空气改变转轮的固有频率 和激振频掣町。 2 2 2 转轮叶片与叶片出水边卡门涡频率发生共振 卡门涡是一种较老的为人们所发现的水力不稳定现象之一。最早发生在 上世纪四十年代美国的一些水轮机上。转轮叶片的形状非常复杂，出水边的 设计既要满足良好的水力性能要求，又要有足够的刚度和强度，出水边必须 有一定的厚度，水流通过出水边时会产生卡门涡，由于出水边水流边界层内 流动状态极为复杂，边界层脱流厚度计算值误差较大，目前计算预测的卡门 涡频率与实测值相差还较远。若卡门涡频率与叶片水中固有频率耦合，并且 卡门涡有足够的能量时，叶片会发生强烈的振动并产生异常噪声。 云南大朝山水电站首台水轮机于2 0 0 1 年1 1 月中旬开始试运转，进行变、 甩负荷试验，一切顺利，随即进入7 2 小时试运行，机组振动、摆度及水压脉 动正常，但在毛水头6 7 m ，导叶开度a o 5 2 ，机组出力p 1 0 0 m w 工况范 围，出现异常噪声( 在感觉上是一种非常刺耳的金属共鸣声) ，随开度和负荷 增加噪声分贝数增大，最大噪声为1 1 3 d b ；异常噪声在水轮机室、蜗壳进人 门和尾水管进人门处同步发生：伴随噪声的出现，水轮机室内，外圈脚踏板 有麻脚的高频振觉。停机检查后发现水轮机转轮叶片出现了3 0 多条贯穿性裂 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 纹。现场进行了振动和噪声测量、水压脉动测试和固定导叶、导叶和叶片在 空气中固有频率的测量。经多次测试、分析和实施相应的处理措施最终断定： 转轮叶片固有频率与叶片出水边卡门涡频率耦合引起叶片共振和异常噪声， 并通过噪声实测得到卡门涡优势频率为2 8 6 - - 3 5 8h z 。 黄河小浪底水轮机转轮在转速下降到一定范围时，叶片出水边的卡门涡 颖率与叶片一阶( 5 5 l z ) ，二阶( 8 7h z ) 弯振频率共振引发了停机过程中的 高频、高幅值的动态应力和异常噪声。五强溪水轮机活动导叶的过流频率 ( 2 7 2h z ) 与转轮叶片在水中的固有频率( 2 7 7 3 2 2h z ) 接近，很可能产生 共振，并且是转轮叶片出现裂纹的主要原因之一。前苏联单机容量为6 5 0 m w 的萨彦舒申斯克水电站水轮机运行一段时期后普遍发现有叶片裂纹，在真机 实测中也发现了卡门涡频率，因此也怀疑裂纹可能与卡门涡有关。 2 2 3 尾水管压力脉动引起转轮振动和叶片裂纹 尾水管的压力脉动是水轮机转轮的主要振源，其频率特性有低频涡带、 中频和高频水压脉动【18 】。低频涡带是高水头水轮机普遍存在的振源之一，产 生涡带的最基本条件是水轮机转轮出口水流具有一定的圆周速度，涡带通常 分为螺旋形涡带和同心涡带，螺旋形涡带引起较大的尾水管压力脉动，螺旋 形涡带在尾水管中旋转的频率，也就是涡带压力脉动频率，而且在整个尾水 管中各处都是一样的。这已为许多实验所证实，在水轮机模型试验中可以较 准确测得涡带的频率( 通常为0 2 - 0 5 倍转频) ，从实测值可知，机组转频与 涡带频率之比是随水头增加而加大的，说明涡带频率不仅是转频的函数，也 是水头的函数，但如何将模型脉动频率和幅值换算成真机值还是一个值得探 讨的问题。中频和高频水压脉动分别为其频率接近转频和高于转频的尾水管 压力脉动，容易引起机组的强烈振动且没有一定的规律性1 3 8 1 。尾水管较大的 压力脉动会引起转轮叶片承受较高的动应力，导致叶片的疲劳破坏。 广西岩滩水电站水轮发电机组，单机容量3 0 2 m w ，水轮机最大功率为 8 哈尔滨下程大学硕士学位论文 3 5 1 m w ，转轮名义直径8 m ，运行水头为3 7 i n 6 8 5 m ，1 9 9 2 年9 月首台 机组投产，是当时我国最大的水轮机并作为三峡工程的中间试验机组。运行 初期水头为5 0i n 左右，机组非常平稳，无任何异常振动和噪声。1 9 9 3 年1 0 月以后，机组的运行水头可达6 2m 以上，运行人员在调负荷过程中发现在某 些工况下发电机楼层板出现剧烈振动，发电机盖板等响声较大。电站通过大 量实测，发现水轮机转轮在运行范围内存在两个振动区：在导叶开度为 4 0 - 4 5 1 1 况，尾水管压力脉动幅值超过2 0 ，最大时达到3 6 9 - 4 3 9 ，频率 为0 2 6 - 2 2 6 h z ；当运行水头大于6 2i n ，导叶开度为6 8 7 2 的大负荷区， 发电机楼板出现强振，频率为2 4 3 5 h z ，在机组和厂房处都有明显感觉，曾 引起布置在该层的保护装置误动，导致机组事故停机，危及电厂的安全运行。 两个振动区的强烈振动使转轮叶片产生贯穿性裂纹，尾水管进人门开裂和锥 管不锈钢段撕裂。 湖南五强溪、青海李家峡和湖北隔河岩等水电站均是近十年来投入运行 的装机容量1 0 0 0 m w 以上的大型水电站，由于尾水管较大的压力脉动引起了 水轮机转轮叶片的裂纹。 2 2 4 转轮的自激振动 在强迫振动中，维持物体振动是由于作用于物体上有周期干扰外力。在 自激振动中，维持物体振动的周期力是由振动体本身产生或者本身所控制的， 当振动停止时便没有周期力了。对于高水头水轮机在一定的结构条件下，当 出力达到某一定值，有可能出现弓状回旋振动，此时水轮机转轮在止漏环内 沿旋转方向作椭圆轨迹的弓状回旋，其振动频率约为转频的2 - 4 倍，近似等 于弓状回旋的自振频率，称之为转轮的自激振动。其显著特点是：随着机组 出力增加，水轮机轴承处主轴摆度明显增大、轴承发生剧烈振动，并造成水 轮机轴承损坏、转轮止漏环磨损和机组无法正常运行。 四川渔予溪4 号水轮机( 机组出力4 0 m w ) 1 9 7 2 年投产，运行不到一个 9 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 月出现振动，特别是机组出力为1 5 m w 以上时，机组振动迅速增大。随着出 力的增加振动急剧增大，虽然停机调整了轴瓦间隙，拧紧了松动的轴瓦支承 螺钉，可是在短期运行后又重新出现严重的振动 2 1 。该电站针对这些振动现 象，采取了结构措施加大轴瓦支撑刚度等，并对机组进行了动平衡。采取上 述措施后，机组出力为3 0 - 3 6 5 m w 时，机组振动幅度仍较大，影响电站的安 全运行。通过现场对转轮进出口处各止漏环水压脉动压力和频率的测试发现： 止漏环处的大小间隙侧产生的不平衡力是不同的，大小间隙两侧的脉动水压 力基本上大小相等方向相反，其转轮进口处水压脉动的频率为水轮机转频和 转频乘以叶片数，并且这些水压脉动幅值随机组的出力增加而增大。即出现 了转轮的自激振动问题。 吉林丰满水电站6 号和2 号水轮机( 机组出力8 5 m w ) 投入运行以后， 在水轮机转轮上一直存在着较大的水力不平衡力，曾多次引起机组振动、摆 度增大、水导轴承固定螺栓疲劳断裂和水轮不锈钢轴颈磨偏等严重缺陷1 5 】。 这不但促使机组检修频繁，大大增加了检修处理工作量，更严重威胁着机组 的安全运行。经过多年的现场测试和处理理实践，才逐渐搞清楚了产生这种 水力不平衡的原因。测试表明：当机组在各种负荷工况下，在转轮迷宫密封 环间隙内出现了较大的水压脉动，相应的水导摆度现机组振动也较大；甚至 还可以看到，由于迷宫密封环东侧间隙的压力脉动幅值大于南侧，其相应的 东西向水导摆度也就比南北向的水导摆度大，使水导处轴中心呈椭圆形状摆 动。当机组在调相压水工况下运行时，下迷宫密封环间隙内充满空气而无水 流，此时在迷宫密封环间隙贩基本无压力脉动，这时机组振动与水导摆度也 就较小。同此可见，促使机组振动与摆度增大的主要原因是由于迷宫密封环 间隙内的水压脉动所致。是由于迷宫密封环的结构参数不合理和制造过程中 相对运动部件圆度不够引发了水轮机转轮的自激振动。 此外，美国的特林尼提水电站、国内的安康、刘家峡等水电站均因结构 和制造原因，在机组投入运行后部分工况下出现了水轮机的自激振动问题。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 电站调查综述 我国的三峡水电工程是世界上最大的水电站，在左岸水轮机选型中吸取 了国内外大型水轮机的经验教训，采取了一系列有利于水力稳定性的措施。 但由于在模型试验中表征水轮机稳定性的一些压力脉动幅值未能满足合同要 求，并发现了尾水管频率较高、振动幅值较大的特殊压力脉动区1 4 2 ，同时水 轮机稳定性的有关参数在模型与真机之间还不能进行换算，为保证三峡机组 顺利投产和安全稳定运行，中国长江三峡工程开发总公司技术委员会聘请国 内水轮机专家对国内出现过水轮机振动问题的五强溪、江垭、大朝山，天生 桥i 级、岩滩、二滩、李家峡、万家寨、小浪底、隔河岩共1 0 个装设混流式 水轮机的水电站进行了现场调研。各水电站参数见表2 1 【1 5 l 。随后全国水轮 机标准化技术委员会又对刘家峡、丰满、龙羊峡等1 1 个水电站的运行稳定性 问题进行了函件调研【l l ，其调查的目的在于了解上述水电站水轮机的运行情 况，归纳总结各类水轮机的稳定性问题，调查结果表明： 1 各电站水轮机均不同程度地出现了转轮裂纹问题。 2 部分负荷时出现的尾水管涡带引发水轮机低频压力脉动。 3 固定导叶、导叶、转轮叶片后出现卡门涡。 4 部分水轮机最优工况左侧出现一条范围窄、频率较高的压力脉动带。 5 导叶后、叶片前的无叶区出现高频水压脉动。 6 叶片动态应力过高引发振动和叶片裂纹。 7 压力钢管和蜗壳水压脉动引起水力共振。 8 转轮止漏环密封间的水压脉动引起转轮自激振动。 2 4 转轮振动研究内容 对转轮振动问题的研究主要是解决机组运行稳定和防止转轮出现裂纹， 模型转轮的水力稳定性一直是水力专家研究的主要课题，在水力模型确定之 哈尔滨r 稃人学硕1 ：学位沦文 后对转轮振动研究应从 其动态特性着手。众所 周知，高水头水轮机转 轮的结构特点是：叶片 焊接在上冠和下环之 问，不能随着负荷的变 化进行调节( 图2 1 ) 。 水轮机偏离最优工况运 行时，导水的双列叶栅 部位、尾水管会产生一图2 1 水轮机转轮 定幅值压力脉动，可以认为转轮在运行中的振动是肯定客观存在的现象，关 键是如何从理论上对转轮运行的稳定性进行评估或预估。我国兴建的大部分 大中型水电站均以防止洪涝灾害为原则来确定水文参数，与国外同类项目相 比其显著特点是水轮机运行水头幅值变化较大，不利于水轮机的稳定运行。 因此在产品的设计阶段就水轮机整体转轮和叶片的振动进行分析计算，通过 结构设计的合理性和优化使水轮机转轮的振动控制在一定的范围之内，并避 免水轮机的各部件出现共振现象，保证机组的长期安全稳定运行。 1 2 龉嚣k噼毒辩*ijl；吣爵嚣帔骚嚣习毒*l吣 嘲辛耄赠p嚣袋*l鸯缎辛章彼骚暴辩*l。宣 搿硼双婚习孛擗暴辩簧肖球*噼幂辩苌j：ii球*做骚暴刁毒*ii。培球*k嘴暴刁毒妥i，；蹿。翅 驰暑匿 魁 窿罪半糨 醒半篮 蜓 延 怔匿 魁 茎； 乓 鲑建晦 枢堡 憔 囊 蠼 耋要 扛卜 z 下 善重 聪 姑 kh 鞋卜 芒星 荨 馨 鬓窖 缓 蓉量 对“ 。 莓品 憾 啦”魍 吧导 * 鼍 h 撑 蜡 辎捶蠼 囊量 辩十输 i1 三霉 氆 冒 日r 杈 避 善蕈襞 器囊昧 般 鼍 弧 l 岬 l 释 价 h 冀销昧 选 重董 鞲艘芸杈 霉 划般碾犍 明i i o ，这说明b 点的压力低于d 点，此时水动力矩将使转轮作旋转方 向的弓状回旋。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 4 2 背面空腔内水流的流态 背面空腔内的水流流态一般认为介于自由旋涡和强制旋涡之间，并取决 于下面的无因次量( 参照图4 3 ) 声= 毒鲁券 ( 4 - 5 ) 当口接近于零时，亦即当转轮止漏环间隙中的流量很大时，角动量从 进口到出口，几乎没有衰减，水流为自由涡。当流量很小而且p 很大时， 水流为强制涡。 - b 。9 。 眵 。q m 。i 黛 n i 氐l l l i a ：l 形 一 k i f ， i! 犷 l ， j 星址b f h 。一 2 l 0 。 型t 。i 言、 一一， 图4 3 理论模型 引用无因次量口以代替口，硌( r ) 以下列形式表示： v , o - ) 吲r o 杠) 爿 1 口o 口= 1 及口= 0 分别表示自由涡和强制涡。口和是一个函数，如果模型 3 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的几何形状、鲁及转轮和涡壳表面的摩擦系数善都是相同的，口也是甏 的函数。 4 3 转轮稳定性的判据 心0 0 作圆周运动，而圆盘又以角速度u n 绕其本身的轴线转动。因此， 由于背面空腔和边缘( 转轮止漏环) 间隙的压力变化而产生的作用到转轮 上的水动力矩m r ，可根据下述假设进行计算：变化很小；流体无粘 性和不可压缩。边界条件为：供水压力p s 和排出压力p e 保持为常数； 边缘( 转轮止漏环) 间隙出口处的流量及压力变化和背面空腔进口处的 相等。用欧拉方程和连续方程可给出水动力矩的数学解答。最后就得出系 统的运动方程式并可进行系统稳定性的研究。 其结论是：振动的稳定性取决于下面的无因次量： 墨2 盖，a = 等，a ，；似， 以及下述的几何参数 h旦上量三 日，o ，o ， ，o ( 4 8 ) 表示外部阻尼力矩( 结构上) 的无因次系数，也就是阻尼系数与临 界阻尼系数之比值。 假设模型的几何形状是相同的，则当k 超过某一定数值时系统将是不 稳定的，亦即： k 如2 r ( a ，口，o ( 4 9 ) 对于一个特定的系统，当为已知时，k 。通过下面的方法可以求解。 首先设定一个口，然后自方程式( 4 9 ) 可求出表示k 和a 的一条曲线， 绘制在k - a 坐标上。同时绘出连接c 常数的点，即水流流态相似的点， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 给出一条通过原点的直线。上述两线的交点表示口的临界状态。对不同的口 的值重复上述过程，并将求得的各点相连接就得到了如图4 - 4 所示的稳定 曲线。 图4 4 理论稳定曲线 ( 1 ) 弓状回旋与转动方向相反( 2 ) 弓状回旋与转动方向相同 反向弓状回旋出现在a 为某一定值，a 值超过人反向后，置，值急骤 下降。a 反向值取决于值和模型的几何参数。 实际上水轮机中边缘( 转轮止漏环) 间隙中的轴向流速有随着负荷 增大而增大的趋势。可以推测，当髟较低时，在负荷增加时将开始振动。 换言之，振动出现在a a 反r h - 的不利条件下，此时 0 值非常低，弓状回旋 的方向朝着转动方向。实验证明引起振动的a 大都为1 3 左右，不会低于 1 4 ，这也证实了理论分析的结果2 i t 3 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 。4 应对措施 水轮机转轮的t l 激振动严重威胁机组的安全运行，国内的四川渔子溪 水电站、吉林丰满水电站、甘肃刘家峡、土耳其卡拉乔仑和美国特林尼提 等水电站水轮机均出现了转轮的自激振动【2 4 1 【3 4 】【3 7 】。尽管对自激振动发生的 机理和稳定条件在理论上进行了研究，但由于水轮机转轮的自激振动不仅 仅是水力和结构设计原因、还与制造精度( 如转动部件的圆度和质量分布 的均匀性等) 、安装水平及与之相关联的转动部件( 如轴系、轴承等部件的 刚度) 有关。因此，在产品开发设计阶段中应引起高度重视、充分考虑上 述因素，合理选择相关部件的结构型式和结构参数，尽可能避免发生自激 振动。 对于三峡电站水轮机，由于其主轴直径较大( 4 m ) 刚性较好，即与转 轮止漏环处的直径比( r l r o ) 比常规机组大，其间隙变化与直径之比很小， 加之在止漏环处还设有顶盖减压管，并且其减压管的面积为止漏环面积的 6 倍以上，通过止漏环的水流可以通过减压管直接排往尾水管，其水流不 能形成影响平衡的旋涡，因此转轮不可能产生自激振动。 由于真机与模型在结构和安装环境的不相似性，水轮机转轮的自激振 动在模型试验中无法观测到，只有在机组现场运行时才能通过一系列的振 动测试分析发现自激振动现象1 2 0 1 。目前国内外的技术水平还不能完全避免 自激振动问题的发生，解决此问题的办法主要是采取以下结构措施： 减小边缘( 转轮止漏环) 间隙的流速虼，即可采用迷宫式止漏环 密封； 适当扩大转轮止漏环密封间隙； 调整轴系，提高轴系安装精度；适当调小水导轴承间隙； 向背面空腔处补入空气以改变其空腔内水流流态。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本章小结 本章对水轮机转轮发生自激振动的机理及稳定性判据进行了理论分 析，提出了影响自激振动的诸多因素及解决此问题主要结构措施，并根据 三峡右岸水轮机的结构设计特点分析断定其转轮不会产生自激振动，在分 析机组振动时应根据自激振动的特性进行判断，从而及时有效地解决问题。 4 l 哈尔滨r 稃大学硕 ：学何论文 5 1 概述 第5 章水轮机转轮的振动测试 水轮机转轮是水力发电机组最关键的部件，由于机械和水力的原因， 转轮长期在水中运行时必定会发生振动现象，特别在偏离最优工况时其振 动会加剧。目前水轮机转轮水力稳定性的研究方法主要是c f d 流体动力计 算技术和模型试验。利用c f d 技术来预估转轮的水力稳定性并使其达到工 程上可以应用的精度，一直是近年国内外水电行业工程技术人员的研究方 向，但是目前还没有突破性的成果l 【1 2 】。对转轮振动进行深层次研究的主 要方法是模型和真机的振动测试。 5 2 转轮振动的模型测试 随着近代测试技术的进步使模型试验测试转轮的振动已经是一项成 熟技术，但其测试机构复杂、成本高。如图5 1 一图5 4 为典型的测试布置 方式和测试结果一l 【姗。 图5 1 叶片应变片配置图图5 2 模型转轮装配 哈尔滨一辛大学硕1 ：学位论文 图5 3 转轮在不同运行工况的叶片背面压力 图5 4 叶片背面某点压力频谱 ( 与相对频率和相对流量对应的压力脉动幅值) 通过模型上各点动应力的幅值和频率分析可以较精确地研究模型转轮 的动态性能，并作为c f d 计算和有限元分析计算判断的依据，实践证明， 基于模型转轮的有限元分析与模型实测结果有较好的吻合性。然而，尽管 国内外水轮机制造商，在产品设计阶段利用c f d 技术和模型试验结果对真 机转轮的动态特性和叶片防止裂纹措施进行了理论分析计算，现场运行中 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有相当多的水电站还是出现了水轮机转轮的异常振动和产生叶片裂纹( 见 表2 - i ) 。其主要原因是：真机与模型的水力压力脉动不模拟性；整机 结构设计的真机与模型不相似( 如真机尺寸较大，相对刚性较差、安装条 件等) ；真机在制造和现场安装的误差。因此，为了研究真机的转轮振动 特性，并根据其振动特性合理选择长期运行范围，确保转轮有一定的疲劳 寿命，对真机转轮进行实测非常重要。目前对真机转轮的振动实测主要从 两方面进行：噪声测量和动态应力测量。 5 3 水轮机噪声测量 水轮机转轮在出现较大振动或共振时往往会发出异常噪声。可以通过 对噪声频谱