（水利水电工程专业论文）混流式水轮机运行稳定性的研究.pdf

摘要 随着水电机组容量和尺寸的不断增大，转速的相应增提高，机组的运行稳 定性问题已成为电站机组设计、安装和运行极为关注的问题。 本文针对水轮发电机组在运行过程中出现的影响运行稳定性的振动、水压 脉动问题进行了阐述。通过目前国内外正在模型或真机上进行的尾水管压力脉 动的测试和分析的大量研究，对尾水管中水流引起的低频水压脉动进行了理论 分析。并对万家寨电站水轮机尾水管的破坏情况进行分析，提出了相应的改进 措施及建议。 在水电站机组运行中由于自激振动引起的破坏时有发生，自激振动产生的 破坏对不同的机组，其破坏的部位和程度不尽相同。长期以来，在稳定性方面， 对安装检修质量问题带来的影响缺乏足够的认识，论文从电站机组安装的角度 分析了改善机组运行稳定性，防止或减轻自激振动发生的途径。 国内外目前对水电站机组运行稳定性没有统一的评价标准，特别是水轮机 尾水管水压脉动，在讨论问题时经常采用日日进行评价。电站运行实践证明： 同一日日值，对不同水头的影响是不同的。这就使得z ”t l h 具有不确定性， 因此，文中对机组运行压力脉动的评价进行了讨论和探讨，提出了对评价参数的 建议。 根据万家寨电站2 4 机组的稳定性试验，结合机组设计的运转特性曲线，提 出了机组在未完全采取稳定性工程措施前的运行建议及进一步对稳定性研究 的方向。稳定性试验前，已对机组进行了动平衡和空载变励磁试验，消除了非 水力不稳定定因素。通过对万家寨电站2 4 机的现场稳定性测试，及对采集的数 据进行的频谱分析，得出了2 拌机组振动的主要原因是水力因素作用的结果，提 出了消振、减振的措施。 关键词：运行稳定性，振动，低频水压脉动，水轮发电机组，稳定性测试 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fu n i tc a p a c i t y , s i z ea n dr o t a t i o n a l s p e e do f t h eh y d r a u l i c g e n e r a t o ri nt h el a r g eh y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h ep r o b l e mo fh y d r a u l i ci n s t a b i l i t yo nt h e f r a n c i st u r b o - g e n e r a t o rs e t sh a sb e c o m em o r ea n dm o i e i m p o r t a n td u r i n gi t sd e s i g n a n do p e r a t i o n a c e o r d i n g t ot h ei n s t a b i l i t yp r o b l e mo ft h eh y d r a u l i ct u r b o - g e n e r a t o rs e t , ag r e a t d e a lo f r e s e a r c hw o r k sh a v e b e e nd o n ei nt h e 删c em e a s u r eo rt h em o d e lt e s ta b o u t t h ed 瑚血t u b ep r e s s u r eo ft h eg e n e r a t o r , a n dt h e l o w - f i e q u e n c yp r e s s u r e - p u l s ec a u s e d b y t h ew a t e rf l o wi nt h ed r a f tt u b eh a sb e e n a n a l y z e d s o m ei m p r o v i n g m e a s u r e m e n t s c o r r e s p o n d i n g l yo n t h ed a m a g e so f t h ed r a f tt u b eh a v eb e e ns u g g e s t e di nw a n j i az h a l h y d r o p o w e r s t a t i o n a st h ed e s t m c t i o nc a u s i n gb ys e l f - v i b r a t i o no r e n a p p e a r s ，t h ed a m a g ep a r ta n d l e v e l 黜v e r yd i f f e r e n ti nd i f f e r e n th y d r o p o w e rg e n e r a t o rd u r i n gi t so p e r a t i o n f o ra l o n gp e r i o d ，t h eu n d e r s t a n d i n go ft h eq u a l i t yp r o b l e mo ft h e s e ti n s t a l l m e n ta n d m a i n t e n a n c ei sm u c hl a c ka tt h e g e n e r a t o rs t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h ei m p r o v i n g a p p r o a c ha b o u tt h es t a b i l i t yo f t h eh y d r a u l i cg e n e r a t o rh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，t h a tc a l l a v o i do ra l l e v i a t et h es e l v i b r a t i o no f t h eg e n e r a t o r a tp r e s e n t t h e r ea r en ou n i f o r me v a l u a t i o ns t a n d a r d sa b o u tt h e o p e r a t i n g s t a b i l i t yo ft h eh y d r a u l i ct u r b o - g e n e r a t o rs e ta th o m ea n do v e r s e a s e s p e c i a l l yt h e h y d r a u l i cp r e s s u r e - p u l s eo ff r a n c i st u r b i n eg e n e r a t o ri nt h ed r a f tt u b e ，t h e v a l u e h hi su s u a l l yu s e dt oa p p r a i s et h es t a b i l i t yi nt h ep r a c t i c e i th a sp r o v e dt h a tt h e s r t n ev a l u eo f l | hh a sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h ed i f f e r e n tw a t e rh e a dd u r i n gt h e o p e r a t i n go fh y d r a u l i cg e n e r a t o r a l lt h e s em a k et h ev a l u eo fa h hu n c e r t a i n t y t h e n ，t h ep r e s s u r e - p u l s eo ft h eo p e r a t i n gh y d r o p o w e rg e n e r a t o rh a sb e e nd i s c u s s e d a n di n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt 0t h ea b o v e ，t h eu s a g eo ft h ee v a l u a t i o n p a r a m e t e r h a sb e e no b t a i n e df o rt h eo p e r a t i n gs t a b i l i t y b a s e do nt h et e g c so f t h es t a b i l i t ya b o u t2 8g e n e r a t o ri nw e n j i az h a ih y d r o p o w e r s t a t i o n , s o m es u g g e s t i o no ft h es t a b i l i t yp r o j e c th y d r o p o w e rg e n e r a t o rh a sb e e n p r o p o s e d t h o u g h t h ep r a c t i c em e a s u r eo ft h es t a b i l i t yi nw a n j i az h a ih y d r o p o w e r s t a t i o n a n dt h e f r e q u e n c ya n a l y s i so f t h em e a s u r i n gd a t a , t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev i b r a t i o n i n2 ”s e tm a i n l yw a sc a u s e d b y t h eh y d r a u l i ce l e m e n t s a tl a s t , s o m em e a s u r e m e n t st o e l i m i n a t i n ga n dd e c r e a s i n g t h ev i b r a t i o na r eg i v e n k e y w o r d s ：o p e r a t i n gs t a b ! l i t y , v i b r a t i o n ，l o w e r f r e q u e n c yp r e s s u r e - p u l s e ，h y d r a u l i c t u r b o - g e n e r a t o r t h e t e s t so f s t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下迸行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 古方夥签字日期：务嘭年月馏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘 壹叁= 茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储虢甲乡磷 导师签名 场冷 签字日期：矗一曰年胆月彦日签字目期：1 啪弓年、1 ，月曙日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着现代技术的发展，水电事业在最近的十几年取得了突飞猛进的发展， 水轮机的比转速和单机容量越来越大，其结构更加复杂，随之而来的机组稳定 性问题日益突出。特别是随着国民经济的飞速发展，一大批大、中型机组相继 投入运行，甚至像不久前投入运行的三峡机组和即将兴建的小湾、奚落度、拉 西瓦以及龙滩等巨型机组都将受到稳定性的严峻考验，由此可见稳定性的重要 性。因此，稳定性的重要性日显突出，将成为衡量大、中型水轮发电机组性能 的重要指标已成为广大水电科技工作者的共识。 众所周知，馓率、空化和稳定性是现代水轮机的三大指标，而稳定性尤为 重要。根据水轮发电机组的运行特性，表征水轮发电机组稳定运行的参数主要 有振动、摆度和压力脉动，其中振动是水力机组稳定性的最重要指标。混流式 水轮机的运行稳定性与运行工况( n ，q ，或水头h ，出力p ) 、制造和安装质量相 关。也和电站设计和水轮机参数选择的正确与否，如与吸出高度h 。、尾水管高 度、机组尺寸、比转速等有关。按一般的概念，选型正确的水轮机，如果吸出 高度的裕量适当大些，尾水管高度适当高些，转轮尺寸较小些，比转速较低些， 对运行稳定性肯定会有利些。2 0 0 2 年对大型水电站机组的调研结果显示，对于 设计正确、制造、安装质量好的水轮机，对安全稳定运行起主导作用的因素是 运行工况，同时也与水轮发电机的安装质量有关。 振动是所有旋转机械的固有属性，总存在振动，振动是不可避免的，其存 在不受电站寿命的影响瑚它们的数值取决于许多因素，其中包括：机组在不同工 况下流道中的流态、设计特性及制造、安装和维护情况等。在极端情况下，水 力机械的振动能导致产生水轮机构件裂纹，甚至导致部件疲劳断裂。 过去很少发生水力机械疲劳破坏。但目前在水力机械设计中由于增加单位 负荷和节省材料，可能导致结构动态刚度降低，增加新设计水轮机产生振动的 危险。另外机组单机容量增大而引起的几何尺寸增大，也导致了水轮机或某些 部件( 活动导叶等) 振动频率的降低。因此，上述频率更容易与系统中水力或 电气波动( 或其它谐波) 的频率相互作用“1 。 第一章绪论 振动不仅影响机械的性能和寿命，而且振动引起的机械故障和损坏会造成 重大经济损失。水电机组的振动直接影响机组的安全运行、负荷分配及供电质 量，如果不加以控制，还会造成严重事故。如我国广西岩滩水电站出力为3 0 0 姗 的混流式水轮机，由于导叶半圆键破坏引起周期性激振，导致转轮叶片严重开 裂而不得不进行扩大型检修，造成直接经济损失达一千万元，该机组由于振动 和尾水管压力脉动的严重危害已限制负荷2 0 0 m w 运行“”：龙羊电厂4 # 机在投产 初期8 5 m 水头时，负荷在o 1 9 0 m w 之间变化时，有8 0 1 0 0 m w 、1 7 0 1 9 0 i 删两 个振动区。在水头1 1 9 m 时，负荷只能达到2 4 0 m w ，超过此值时，机缀振动剧烈 不能运行“。美国库拉瀑布电站5 # 机，投运后产生了剧烈的振动和噪声，墨西 哥安库拉斯梯机组，在小负荷时出现了剧烈的振动1 。关于机组振动危害的事 例屡见不鲜。因此，机组的振动值是一个非常重要的指标，既可以根据机组起 动过程的振动来评价机组的安装质量，也可以根据机组的振动状态来确定机组 的检修计划”1 。 在实际运行的水电站水轮机组上，产生振动的原因往往不易判断。有时， 各种频率特性的振动混杂在一起，这也给寻找振动原因的工作增加不少困难。 长期以来，由于对水轮发电机组的振动特性及故障成因认识不够，加之检测和 分析手段落后，水电厂为确保机组的正常运行，不得不对机组规定定期检修制 度。这种以寿命、故障可能发生的时间等信息为依据的时间计划检修方式，不 仅具有一定的盲目性，而且带来了不必要的损失和浪费。随着广大水电科研人 员对稳定性和故障特征认识的深入，以及电子计算机、信号检测和处理技术的 发展，从而有可能借助于现代先进的测试技术手段和分析技术对水轮机稳定性 进行监测，以及对故障特征进行识别，从而确定机组的运行状态和对故障的早 期诊断。这种以机组的状态、发生异常的征兆等有关信息为依据的状态监测维 修方式，能正确的监测机组的运行情况，防止事故于萌芽状态，并且安排合理 的检修计划，从而可大大提高机组的利用率。 因此，为确保水轮机组稳定、安全可靠运行，了解机组的运行状态，预测 和消除事故隐患，需要进行稳定性试验。通过对水力机组的稳定性试验，可以： i 、探讨各类型水轮机组的振动规律和特点，为研究机组的振因、故障识别、 振源分析和进行振动处理等提供理论指导，达到对症诊治的目的。 2 、了解机组的运行状态，预测事故的发展趋势，确定机组的检修时间，通 过振动信号的分析处理进行故障诊断和处理。 第一章绪论 3 、为改进和提高水力机组设计、制造、安装、运行水平和机组技术改造提 供可靠的科学依据。 4 、分析各种工况下机组的不平衡力、电磁力以及水力作用对机组稳定性的 影响和其它不利于稳定运行的因素，指导电厂安全、可靠运行。 1 2 水轮发电机组的振动 水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有所不同。通常除需要考虑 机组本身的振动或固定部分的振动外，还需考虑作用于发电机部分的电磁力， 以及作用于水轮机过流部分的流体动压力对系统及其它部件振动的影响。在机 组运转情况下，流体一机械一电磁三部分是相互影响的0 1 。例如，当水流流动激 起机组转动部分振动时，在发电机转子与定予之间会导致空气间隙不对称，由 此产生的磁拉力也会加剧或阻尼机组转动部分的振动。反之，转动部分的运动 状态出现某些变化后，必然又要对水轮机的水流流场及发电机的磁场发生影响。 因此，严格的讲，水轮发电机组的振动是电气、机械、流体三者的藕合振动。 可以想象，完全按照这三者的藕合关系来研究系统振动是非常复杂的，鉴于问 题的复杂性，目前还难以建立起可以进行分析计算的数学模型，也不易在试验 中同时考虑上述三种因素的相互影响。为此，只好根据多年来水电站运行积累 的典型经验，将机组的振动划分为机械、水力、电气三方面的因素，分别就这 三种振源所导致的不同类型的振动进行分析、计算与试验研究。 1 2 1 机械因素 由于制造、安装检修等因素引起的机械不平衡主要有： ( 1 ) 主轴弯曲或有挠度； ( 2 ) 水轮机转轮与发电机转子动、静不平衡： ( 3 ) 推力轴承调整不良； ( 4 ) 导轴承间隙过大； ( 5 ) 机组中心偏差大； ( 6 ) 转动部分与固定部分不同心，产生摩擦或碰撞； ( 7 ) 支持系统刚度不够。 1 2 2 电气因素 第一章绪论 水轮发电机组在加励磁电流后振动加大，其原因主要是由电气方面的因索 造成的。水轮发电机电磁力引起的振动主要有两类，一类是转频振动；一类是 极频振动。 1 ) 转频振动 其振动频率为转频或转频的倍数，产生转频振动的主要原因有： ( 1 ) 转子与定子间的空气间隙不均匀； ( 2 ) 转子外圆或定子内园不圆； ( 3 ) 转子动不平衡或有匝间短路。 2 ) 极频振动 ( 1 ) 定子合缝不严( 定子铁芯存在合缝的机组主要为八十年代中期以前制 造的大中型水轮发电机，八十年代中期以后的大中机组均采用定子铁芯现场装 配，淘汰了分瓣定子工艺) ，因此，在目前的大型机组上这种现象基本不存在； ( 2 ) 三相不平衡。 3 ) 水力因素 水力干扰力源以及可能产生的振动主要有以下几个方面： ( 1 ) 卡门( v k a r m a n ) 涡列引起的振动； ( 2 ) 尾水管内涡带引起的振动； ( 3 ) 固定导叶出水边水流流态不良引起的振动； ( 4 ) 水轮机转轮叶片数与固定导叶数匹配不合理引起的振动； ( 5 ) 汽蚀引起的振动； ( 6 ) 导叶开口不均匀引起的振动； ( 7 ) 转轮与导叶问的距离不当引起的振动； ( 8 ) 转轮和止漏环的间隙不均匀，偏心引起的自激振动。 1 3 水力振动及其对水轮机组运行的影响 水作为水轮发电机组工作的源动力，水流在水轮机系统内流动并进行能量 交换。同时水流对水轮机过流部件所产生的扰动力作用在机组各个部件上，并 使其产生交变的机械应力及振动。强烈的振动影响水轮机组正常运行，降低机 第一章绪论 组和零部件使用寿命，甚至导致发电机功率摆动；当水力扰动频率和水轮机某 个零部件、机组固有振动频率、电力系统频率相同或接近时，将引起共振，甚 至机组则无法运转，这对于水轮发电机组运行是十分危险的。 1 3 1 水轮机水力振动 理论分析认为，水力机组或个别零部件的振动可由两方面的原因造成：一 是过流部件中流场的速度分布不均产生压力脉动是零部件的激振源，如不完全 包角涡壳( 包角小于3 6 0 。) 的不均匀出流等：二是水流流过某些过流部件( 固 定导叶、活动导叶、转轮叶片) 绕流后，产生脱流旋涡所诱发的压力脉动成为 激振源，如涡列( 这种涡列与典型的卡门涡列不完全一致，因为整个转轮是由 一组叶栅构成，每一个叶片的脱流都会被位于其后的旋转叶片所切断，并加速 其部分脱流速度嘲) 诱发的转轮叶片振动及尾水管中的涡带等。 多年来，国内外科研机构对水轮机振动问题作了大量的研究，特别是透平 核电生产联合公司，对在l o 3 0 0 m 广阔水头范围内使用的反击式水轮机压力脉 动和振动特性在试验室和真机条件下进行了研究，并对混流式水轮机尤为关注， 因为这种水轮机在实际中应用比较普遍，用于水头4 0 6 0 0 m ，其稳运行定负荷 区域较狭窄。上个世纪9 0 年代，苏尔寿一爱舍维斯( s e v ) 公司和洛桑水力机 械研究所“用了约3 0 个不同模型转轮进行了2 0 0 多次试验( 不包括设计改型) ”， 并概括了在较大部分负荷范围内观测到的一些“奇异”现象1 。 在模型及真机条件下进行混流式水轮机的试验研究表明：在偏离设计工况 时，在过流部分存在相当大的压力脉动，从而加大了机组的振动。这些现象是 由于流体动力原因产生的。在上述情况下，水轮机进口水流冲角发生变化，在 叶片流道间产生旋涡脱流，同时在转轮出口的尾水管内产生中心涡带；随着偏 离设计工况的程度增大，脱流旋涡的强度增大，在该部位产生空化；同时使叶 道内的流态进一步恶化，这种涡流使叶片受到的轴向力及转矩产生波动。 一般来说，水轮机制造厂对混流式机组在6 0 1 0 0 n r ( 额定负荷) 负荷范 围内给出可靠运行的保证，而且仅包括运转特性曲线上很狭窄的水头工作区。 同时水电机组，特别是大型机组一般在电网中担当调峰调频任务，通常需要运 行在比较宽广的负荷、水头范围内。在电站投产初期，由于水工建筑物及工程 条件的限制，水库蓄水无法达到设计水位，水轮机往往需要在比运转特性曲线 第一章绪论 规定的水头更低的情况下运行。许多水电站( 如龙羊峡、江垭、三峡机组初期 发电在最低发电水位条件下运行“州) 为了提高利用率和经济效益，机组在最低 水头条件下长时间运行，这将导致机组动态特性的破坏，恶化机组的工作条件。 1 3 2 水轮枧的动态频率 根据努列克等水电站水轮机试验结果所进行的振动压力脉动特性分析，可 将作用在水轮机上的动态频率划分成三种主要特征频率，即涡带频率、旋转频率 和叶片频率。 当描述低负荷下混流式水轮机转轮后( 尾水管内) 涡带引起的压力脉动频 率时，一般采用雷甘斯( r h e i n g a n s ) 的经验公式f t = n 6 0 k ( h z ) 4 3 ，式中n 为机组 转速( 转分) ，k = 3 6 。试验表明，涡带的压力脉动既发生在机组的部分负荷区 ( 0 3 o 6 n 。) ，也发生在机组的高负荷区( 1 0 1 1 n 面) 旧。因此，如果在部 分负荷区机组的压力脉动频率接近雷甘斯公式确定的值，则在超负荷区该值将 增加近一倍。 与部分负荷区不同，高负荷区反向旋转的涡带具有较大直径的涡核，这就导 致了压力脉动频率和振幅急剧增加。高水头水轮机模型试验时。高水头、部分 负荷工况下观测到成对的涡带“对。 水轮机尾水管涡带的产生与转轮的出口环量v “r 2 及其分布有直接关系。尾 水管涡带是转轮与涡带相互作用，转轮是涡带产生的原因，涡带产生后又会改 变尾水管的流场，从而使转轮在新的流场和出流条件下工作，于是产生新的涡 带，反复循环，最后整个水轮机流道达到一个脉动的动态平衡”。只有在最优工 况时( v 。r 产0 ) 才能保证转轮出口无旋流运动。混流水轮机转轮叶片无法解决在 低负荷和高负荷工况下消除脉动的问题。因此，需要在宽广运行特性益线内运 行的机组必须采取一些结构措施( 补气或稳流装置等) ，以便在一定的运行工况 区破坏转轮后的涡带，使之交形，或者从根本上消除涡带产生的原因。 旋转频率的压力脉动主要发生在水轮机顶盖的下部。这种压力脉动是由转 轮的迷宫密封间隙不均匀引起的。由于各个叶片间通道不同( 装配误差引起) 以及由于导水机构出口速度场不对称，从而使转轮上作用有径向力，导致这种 压力脉动加剧口。由于这种压力脉动可能有很大的能量，直接影赡着水轮机运 第一章绪论 行的可靠性。因此，现代水轮机过流部件在制造和安装方面要求具有严格的公 差。近年来，一些大型及巨型机组在制造合同谈判时就明确规定了这些部件的 加工手段。 高频压力脉动( 通常指叶片的频率) 是由水轮机过流部分中流场不均匀和 涡旋的形成引起的o “呻1 。这种脉动的振幅并不大，但可能引起高频振动，甚至 在很小振幅时这种高频振动也对水轮机结构是很危险的，近年来一些机组试验 已充分证明了这一点。在非设计水头和部分负荷区可能出现某些强烈的水锤， 引起结构以固有频率振动。 水轮机的稳定性分析极其复杂，水流既是动力源又是传递振动的介质。同 时要考虑机电设备、水工建筑物之间的相互影响。目前想通过理论计算就得到 圆满、符合实际的结果，尚十分困难。现代计算机及有限元为稳定性分析提供 了手段，但目前仅局限于对结构、零部件的计算；数值流动分析方法只涉及稳 态流动，对非稳态进行的紊态流动分析有时能给出涡流的运动情况，但只有在 给定的假设和边界条件相符合时才能做出定性分析，还要同过模型试验进行验 证o ”嘲因此，目前对水力稳定性的研究主要以模型试验和现场试验为主要手段。 1 4 内外研究状况及发展趋势 水轮机稳定性问题是我国目前已运行电站，特别是近十几年投产的2 0 0 5 0 0 姗水轮机组中比较普遍的问题之一，已严重的影响了电站的安全正常运行。 存在的问题多种多样，解决非常困难。 随着单机容量、机组尺寸不断增大，机组刚度相对降低，机组在部分负荷区 运行出现了不稳定性现象，岩滩、五强溪、漫湾、万家寨、小浪底等水电站都不 同程度的避开部分负荷区运行，从而降低了运行效益。由于水轮机运行不稳定 而导致转轮叶片产生裂纹( 多数为贯穿性裂纹) ，近十年投产的大中型电站水轮 机上几乎都有发生，被迫停机的现象时有发生。水轮机在部分负荷下运行产生 很大的振动，国内专家一致认为是在导叶后、转轮前存在某一中频激振振源 “”o “，目前还难以用较充分的理论来解释。 刘家峡电厂于1 9 9 7 年7 月对2 # 机转轮进行全面的无损检测检验，发现在叶 第一章绪论 片于下环、上贯的连接焊缝处共有1 3 处不同程度不同的裂纹产生。黄河小浪底 电站6 # 机在机组投产6 个月( 运行1 0 0 0 多小时) ，检查发现转轮的1 3 个叶片出 水边接近上冠处都出现裂纹，其中t 1 个为贯穿性裂纹。在2 0 0 3 年9 月李家峡 3 # 机组扩大性检修时发现除转轮裂纹外，转轮下止漏环开裂，并且与固定止漏 环严重磨损。对上述现象初步的探讨分析认为，除焊缝应力存在外，还与尾水 管涡振及水轮机的自激振动有关。 混流式水轮机偏离最优工况可能诱发机组运行的不稳定。近期投入运行的 三峡水轮机，由于工程防洪的需要，水头变幅大( k ，h r = 1 4 ) ，已超过常规混 流式水轮机的适用水头范围，水轮机在高、低水头运行区偏离最优工况运行时间 占全年的1 3 以上，这在国内外已投运的混流式水轮机中是罕见的“。国内专家 在分析大古里、依太普等与三峡机组接近的巨型水轮机稳定性问题的基础上， 对三峡机组在偏离最优工况运行的稳定性进行了分析，在招标文件中将水轮机 模型的稳定性试验列为验收试验的重要项目之一，要求全面观测水轮机在各工 况下的脱流、空化、涡带及压力脉动特性，要求模型的稳定性达到或优于标书 的要求，并对稳定性指标的考核方法进行了明确规定。 国际水力研究协会第1 8 届水力机械及空蚀学术会议上，提交的论文有一组 是关于水力机械及水电站的振荡及振动；意大利国家电力局m f a n e l l i 教授在 题为“水力机械研究的某些趋势”的报告中强调以下几方面的研究：a 空蚀及 疲劳强度，b 振动及减振，c 瞬变特性，d 低负荷区的平稳运行，e 机组的可 靠性。关于试验研究的报导主要集中在尾水管上，0 g d a h l b a u g 等的尾水扩散 管中定常和非定常流的研究。神奈川大学t k u b o t a 尾水管性能测试；名古屋大 学k k k u y a m a 等尾水管进口涡流研究。东方电机厂石清华、加拿大魁北克电力 局p l u l p i t e l 都在进行尾水管涡带运到研究。瑞士t h i e r r yj a c o b 等对1 4 0 m w 混流式水轮机大负荷区的压力脉动进行分析，着重进行转轮泄水锥、试验水头 和尾水隧洞的影响研究。大电机研究所姚大坤等通过对土尔其卡拉乔伦2 # 机真 机试验，对混流式水轮机水力不平衡引起的自激振动问题进行讨论，提出消除 振动故障的对策。对水轮机尾水管流场的研究作为火炬计划项目也已取得了初 步的成果。 在我国水电四十多年的历史进程中，在前三十年由于技术落后，对水轮机 运行稳定性一直未受到应有的重视。随着科学技术的进步，特别是在最近十几 第一章绪论 年，随着计算机技术的应用，使得试验、测试技术得到了较大的发展，对水轮 机振动稳定性的研究取得了较大的进展。近十年来，国内投产的大中型水电机 组由于运行稳定性问题的困扰，大大降低了机组运行的经济效益。为此长江三 峡开发公司委托中国水利水电科学研究院、h l s t o m 、g eh y d r o 公司等对三峡机 组进行水力模型试验，对机组稳定性进行了大量的分析研究；并对国内近年投 产的大型机组及国外巨型机组稳定性问题进行了全面调查，在三峡机组的模型 试验中进行验证；各个电站根据其机组稳定性问题的特点进行机组的稳定性试 验。如岩滩电站针对机组共振问题进行稳定性试验；隔河岩电站针对机组由于 振动泄水锥脱落破坏进行稳定性试验；五强溪、大朝山、天生桥i 级、二滩等 电站针对机组存在不同负荷的振动区问题进行试验研究。同时对于改善水轮机 运行稳定性的措施也已经进行了多年的研究，取得了一些成果，但是，这些成 果仅对特定电站的特定机组而言。对于混流式水轮机振动稳定性的研究将是一 个长期的、永久的课题( 这是由于混流式水轮机叶片不能根据负荷变化来调整 水轮机叶片角度，保证最佳的入流和出流，是其固有特性) ，且各个机组由于其 具体的结构、水力条件和电站参数的不同，其振动稳定性问题的表现而不同。 对于从水轮发电机安装的角度出发提高机缎运行稳定性目前尚未引起普遍重 视。随着以三峡、龙滩等为代表的一大批巨型机组，由于其在电力系统的重要 地位，其稳定性问题就显得非常重要，在未来的水轮机稳定性研究将会朝着电 站初期低水头发电、追求水轮机较高加权平均效率( 即宽广的稳定运行区) ，采 用整体水轮机转轮、改善混流式水轮机运行稳定性措施的应用研究，对水轮机 稳定性标准等方面的研究和a g e 调度方式与水轮机运行稳定性的研究方面发展。 2 0 0 3 年l o 月在西安召开的拉西瓦7 0 0 m w 混流式水轮机技术咨询研讨会上，有关 专家指出：( 1 ) 为保证特大型水轮机安全稳定运行，建议采用接体转轮方案；( 2 ) 对水轮机额定效率不做过高要求，主要考核加权平均效率；( 3 ) 对水轮机尾水 管压力脉动指标采用混频峰一峰值( 9 7 置信度) ，按不同负荷范围提出要求。 对水轮机结构稳定的机械设计方面采用有限元法已经成熟，但对水轮机的水力 设计目前现代数值流动分析仅局限于对流体的稳态流动分析，针对非稳态流动 进行的紊态流动分析只有在符合给定的假设和边界条件下才能做出定性的分 析，还要通过模型试验进行验证，事实上这种假设和边界条件的符合是非常困 难的。 水力机组的稳定性问题，不仅要有理论分析、模型试验，还要进行真机试 验，且产生不稳定的原因十分复杂，人们虽然做了大量的研究，取得了一定的 9 第一章绪论 进展，但许多方面还不能得出令人信服的成果。如引起尾水管低频压力脉动的 核心问题是涡带形成的原因，尽管做了不少的研究工作，但仍不能得出一致的 看法。水轮机稳定性问题目前还处于研究阶段，有待今后进一步地研究。 1 5 本文的研究目的及内容 本文对尾水管的压力脉动、混流式水轮机的自激振动现象进行理论研究， 结合万家寨水轮机真机稳定性试验进行分析，并提出相应的改进措施。本文包 括以下几方面的内容： 一、通过对国内外目前正在模型或真机上进行的尾水管压力脉动测试和分 析，进行水轮机的稳定性研究，分析了万家寨水轮机尾水管破坏的原因，提出 了相应的改进措施。 二、通过万家寨机组的稳定性试验分析，研究该机组的稳定运行区域。这 对于混流式水轮机的稳定运行具有普遍性，通过稳定运行区域的研究，可指导 电站的合理调度，提高电站机组运行的利用率。 三、通过稳定性试验采集的数据和稳定性测试，目的是掌握电站机组的振 动趋势；寻找机组的振动原因，为今后的机组改造及大修提供技术依据。 第二章水力机组水力稳定性 第二章水力机组的水力稳定性 2 1 水轮机水力稳定性研究 2 1 1 概述 效率、空化和稳定性是现代水轮机的三个重要性能指标。效率关系到水能 的利用程度，空化关系到水轮机的寿命，而稳定性则关系到水轮机能否安全正 常运转，由此可见水轮机稳定性的重要程度。但由于人们对水轮机稳定性的研 究尚不深入，加之问题本身复杂，难点多，涉及多个学科，需要先进的测试仪 器等，使得我们对稳定性的认识远不及空化、效率的认识深刻。随着机组容量 的提高，机组尺寸的增大，相对刚度降低，稳定性问题目益突出。 进十几年来，国内外一些大型机组频频出现振动问题，以至于对机组的运 行构成危害和限制，即是刚刚投入运行的举世瞩目的三峡机缎也将面临稳定性 的严峻考验。目前国内外对机组振动问题还没有十分可靠行之有效的措施，水 轮机的稳定性问题成了一道世界范围的难题。 水轮机稳定性按其产生的原因分为水力稳定性和非水力稳定性，非水力稳 定性一般归为机械稳定性范畴。水力稳定性有关的原因一般比较复杂，而尾水 管涡带是水轮机稳定性的一个关键因素。 尾水管的研究一般包括机理性研究和减振措施的研究。前者主要是研究涡 带的形态、特征、产生的原因、条件和机理、与水力脉动的关系等；后者主要 研究如何避开、缓冲及消除涡带等。运行工况与稳定性问题是水轮机稳定性研 究的一个重内容。转轮出口环量是工况的函数，水力脉动和尾水管涡带与转轮 出口环量有着密切的关系。有的公司把出口环量等同压力脉动，出口环量越大， 力脉动越大1 。然而，在最近几次的模型试验中发现，出口环量等同压力脉动 只是在一定的范围内，当出口环量增大到一定程度，水压脉动反而下降“。 通常情况下，尾水管压力脉动最大。在真机和模型试验中发现，在一些特 定工况下，导叶后转轮前水压脉动要比尾水管的水力脉动大。 第二章水力机组水力稳定性 2 1 2 混流式水轮机稳定性的基本关系 运行工况和空化是水轮机最基本、最重要的参数。因此，水轮机稳定性应 包括水力脉动与运行工况和空化的关系。 ( 1 ) 运行工况与稳定性 运行工况对真机是指水轮机的水头( h ) 和流量( q ) ( 或功率p ) 。真机的不稳定 性一般表现为在一定的水头范围和流量( 或功率) 范围内出现较大的水力脉动。 运行工况一般用单位转速r l 。和单位流量q 。来表示。 混流式水轮机只在一定的范围内能够稳定运行是其固有的特征之一。图2 1 为混流式水轮机运行特性曲线。对应某一恒定转速，在能量一流量坐标系上绘 出了等效率圈和导叶等开度线。水轮机工况由其最优效率下单位水能a 和单位 流量b 确定，某一工况下的额定单位水能c 可能不同于最优工况下的单位水能。 n a1 “2 口1 口 图2 1 混流式水轮机运行特件曲线及尾水锥管压力脉动 机组持续运行范围受下列因素限制：导叶最小开度d ，导叶最大开度e 。最 大水头f ，最小水头g 和发电机的最大功率。 由图2 一l 看出，在最优水头h 附近，随着流量q 的增加( 或负荷的增加) ， 混流式水轮机将依次经过极小负荷区、部分负荷脉动区、高负荷脉动区、 1 2 第二章水力机组水力稳定性 稳定运行区和超负荷不稳定运行区。 最近的许多统计资料表明，水头变幅大的水轮机容易出现高水头的稳定性 问题。这可能有两个原因：一是由于高水头与额定水头的比值h h 。较大，高水 头的单位流量q 偏小，水轮机进入大脉动区运行，从而导致水轮机出现不稳定； 另一方面是高水头时，叶片吸力面出现叶道涡，高水头时当叶道涡变得湍急时， 涡核激烈空化，涡流时隐时现，压力脉动加剧，并产生不规则的水力冲击，致 使水轮机不稳定。高水头区的负荷稳定运行范围要小于额定水头时的范围，这 是混流式水轮机的固有特性。 ( 2 ) 空化与稳定性 混流式水轮机运行中，空化与稳定性有着密切关系。八十年代初，在哈尔 滨大电机研究所高水头试验台上曾做过空化与水力脉动的关系试验。先测量能 量工况的水力脉动，然后逐步减小空化系数，当空化系数减小到某一数值时， 水压脉动上升到能量工况的3 倍左右，之后随着空化系数的进一步减小，水力 脉动反而降低。在九十年代后期进行的三峡水轮机稳定性试验研究也证明了上 述情况捌。 空化系数对涡带最明显的影响是随着空化系数的不断减小，涡带由实心向 空心发展，涡核不断增大，噪音及脉动幅值不断增加。通常认为，空化系数对 压力脉动的影响主要是改交了涡核的直径。实际上，随着空化系数的降低不仅 涡核的直径加大，偏心矩也进一步扩大，使压力脉动幅值增大。偏心涡核的转 动惯量基本保持恒定，涡核扩大后，中心部分质量降低，使力臂加长，这就造 成了偏心矩的增大。 涡核和偏心矩的增大是有限的，其受固体边壁( 尾水管) 的限制，使其无 法扩大。最早受到限制的是偏心矩，当空化系数降到某一值后，空腔涡核虽在 增大，但偏心矩却在减小，使压力脉动幅值降低。 同一模型用于不同的电站，其运行范围相似，但有的电站运行稳定， 而有的电站却出现了稳定性问题。其中一个原因就是它们的吸出高度不同所 致。图2 - 2 为某一模型安装于不同电站吸出高度的统计结果，a 、b 、c 、e 电 站出现较大的脉动，而d 、f 、g 、h 电站则运行稳定。由此可看出，对于模型， 第二章水力机组水力稳定性 当电站安装空化系数在某一 临界值附近时容易出现稳定置 性问题。对于不同的模型，空硅 化系数临界值也不相同，这个袤 临界值应参考模型试验结果 。 来确定。 i - in n n abcdefgh 图2 - 2 某一模型用于不同电站h s 的统计 值得注意的是，空化系数 对稳定性的影响并非一成不变，而与具体的模型、具体工况有关。 ( 3 ) 小结 由上述分析可知，混流式水轮机稳定性与工况和空化系数有着密切关系，这 种关系可表述为：水力脉动是n u 、q 。和。的三维函数，即( h ) = f ( n ，q ， o ) ，这就是混流式水轮机稳定性的基本关系。 2 1 3 混流式水轮机稳定性的研究方法 混流式水轮机稳定性研究有四种方法：理论分析；数值计算；模型试 验：电站试验。理论分析主要是基于水轮机的基本理论和其它知识，运用逻 辑思维进行分析判断，找出水轮机不稳定的原因和减振措施，它是确定解决问 题技术路线的主要依据。数值计算主要是基于计算机和水轮机流体分析软件， 对水轮机流体运动进行数值模拟，找出水轮机不稳定工况是否与数值计算中出 现的奇异现象有关，从而达到预测和解决振动的目的。模型试验主要是对水轮 机流动进行模型实际模拟，从而对模型水力脉动进行观察测量，因而是水轮机 水力稳定性研究的重要工具，通过它可以对水力脉动规律的研究和对减小脉动 的措施进行初步选择。电站试验，由于对水力脉动的规律尚不十分清楚，模型 和真机的某些水力脉动关系也不能完美模拟，因此所有减小水力脉动的措施必 须在真机上经过实践检验才算真正解决。以上四种方法相互结合是解决水轮机 稳定性问题的有效途径。 2 2 尾水管内水流所引起的低频振动 低频涡带是混流式和轴流式水轮机普遍存在的振动根源之一。国内外已进 第二章水力机组水力稳定性 行了比较多的模型试验和理论分析，也进行了一些原型观测，对其形成原因和特 性有了较为清楚的认识。对消除或减轻尾水管涡带也做了大量的研究工作，取 得一些相应的成果，并在真机上得到了应用。 当工况变化，转轮出口环量的大小和方向发生变化，在尾水管内会出现不 同形态的涡带。r 齐亚拉斯通过透明尾水锥管观测到如图2 3 所示的转轮后出 现空腔涡带的情况。在装置汽蚀系数o ，比较小时，能观测到涡带：如果o ，值比 较大时，则不能用肉眼观测到涡带。同时还看出以下几种工况的不同涡带： 图2 - 3 混流式水轮机尾水管空腔涡带的不同形状 图( a ) ，空转和负荷很小，死水区几乎充满整个尾水管，压力脉动很小， 在任何情况下都可以运转。 图( b ) ，约3 0 4 0 负荷，涡带稍微偏心，并呈螺旋形，螺旋角较大，压力脉动 较大，是危险的区域； 图( c ) ，约4 0 5 0 负荷，涡带严重偏心，螺旋形，压力脉动更大，是更危险 的区域； 图( d ) ，约7 0 7 5 负荷，涡带同心，压力脉动很小，运行无扰动 一寥爹事帮令 事静譬 第二章水力机组水力稳定性 图( e ) ，约7 5 8 5 负荷，无涡带，无压力脉动，运行平稳 图( f ) ，约满负荷到超负荷，涡带在紧挨转轮后收缩，有很小的压力脉动， 可能产生扰动，特别是在超负荷时。 按出口水流速度的园周分量v 。：在尾水管半径范围内的不同分布，涡带一般 分为稳定的和不稳定的两类。 通常，正环量区的涡带是不稳定的，而负环量区的涡带是稳定的。不稳定 涡带在尾水管截面内与水轮机同向回转，它有四种情况如图2 - 4 所示。不同形 态的尾水管涡带，测得的压力脉动波形如图2 - 5 所示。 漩涡区 ( b )( c )( d ) 涡旋方向 水流方向 图2 - 4 涡带截面 部分负荷工况时，当v 。增大时，涡核变得粗大起来，中间形成死水区，充 满紊乱细小的、不规则散布的不稳定