大型水電機(jī)組的共振與噪聲問題研究 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 【摘 要】本文結(jié)合具體案例，對(duì)引起水電機(jī)組共振和噪聲的幾種主要因素：尾水管壓力脈動(dòng)、卡門渦列、電磁因素等進(jìn)行了分析，并對(duì)抬機(jī)現(xiàn)象和廠房共振進(jìn)行了研究，最后給出了解決問題的建議。 【關(guān)鍵詞】水電機(jī)組；共振；噪聲；壓力脈動(dòng)；電磁因素 0 引言 共振是指機(jī)械系統(tǒng)所受激勵(lì)的頻率與該系統(tǒng)的某階固有頻率相接近時(shí)，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象。共振時(shí)，激勵(lì)輸入機(jī)械系 統(tǒng)的能量最大，系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的振型稱為位移共振。 當(dāng)前水輪發(fā)電機(jī)組朝著大型化發(fā)展， 由設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行帶來的問題，以及設(shè)備部件的相對(duì)剛度減弱， 降低了機(jī)組的固有頻率， 在外力作用下完全有可能誘發(fā)機(jī)組局部或整體共振。比如尾水管內(nèi)強(qiáng)大的壓力脈動(dòng)和空腔脫流容易造成機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)， 甚至使泄水錐脫落和葉片出現(xiàn)裂紋。復(fù)雜的運(yùn)行工況使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口環(huán)量變化異常， 高負(fù)荷沖擊擾動(dòng)區(qū)、低負(fù)荷振動(dòng)區(qū)和補(bǔ)氣區(qū)的頻頻出現(xiàn)， 使機(jī)組軸系的運(yùn)行狀況急劇惡化。近年來， 一些大型水輪發(fā)電機(jī)組， 如大古力、隔河巖、二灘、小浪 底、五強(qiáng)溪等大型機(jī)組都存在不同程度的振動(dòng)問題， 嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 2009年 8 月 17日，俄羅斯薩揚(yáng)水電站 1發(fā)生了嚴(yán)重的安全事故，水電站 2 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子連同其上蓋一同射出，并擊穿其上的混凝土層，飛至水電機(jī)組上層地面（見圖 1），事故共造成88人死亡。而引起事故的原因就是在非有利區(qū)域運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)劇烈，噪聲刺耳，而沒能立即卸載停機(jī)，從而造成水輪機(jī)頂蓋固定螺栓被拉斷，在水壓力作用下機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部份帶著水輪機(jī)頂蓋及上機(jī)架向上彈射，導(dǎo)致事故發(fā)生?；炝魇剿姍C(jī)組的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2 所示。 1 水力因素引起的共振和 噪聲 尾水管中水力不穩(wěn)定現(xiàn)象 2主要是指尾水管中的水壓周期性的變化，壓力脈動(dòng)作用于機(jī)組和基礎(chǔ)上，就引起振動(dòng)、噪音和出力波動(dòng)，同時(shí)它對(duì)尾水管有相當(dāng)大的破壞作用。這種情況一般發(fā)生在非設(shè)計(jì)工況下，水流在尾水管進(jìn)口有一個(gè)圓周分量，形成旋流，當(dāng)此分量達(dá)一定值時(shí)，便在尾水管中出現(xiàn)渦帶，使尾水管的水流發(fā)生周期性的變化，引起水壓脈動(dòng)和管壁（可以看作一個(gè)彈性體）振動(dòng)。當(dāng)水輪機(jī)和管道的自振頻率與壓力脈動(dòng)頻率相同時(shí)，便發(fā)生共振。例如廣東梅州清涼山水電站壓力鋼管自振頻率為 3.7 Hz，尾水管壓力脈動(dòng)的基頻為 3.5 Hz，這二者很接近，鋼管發(fā)生共振的機(jī)率較大。廣西某大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組主軸系統(tǒng)的第一階固有頻率為： 1=2.22Hz ，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)的激勵(lì)頻率為： 2=0.3Hz ，水力不平衡力的激勵(lì)頻率為：3=2.5Hz ，這樣就滿足： 3 -21 ，從而出現(xiàn)組合共振現(xiàn)象，并導(dǎo)致主軸系統(tǒng)產(chǎn)生較大的共振噪聲。對(duì)此，有效地解決辦法就是在尾水管上安裝補(bǔ)氣管，或在尾水管水流方向上安裝固定翹片。 水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)導(dǎo)葉的水流，絕大部分通過轉(zhuǎn)輪流向尾水管，但也有一小部分通過轉(zhuǎn)輪上、下迷宮裝置間接漏向尾水管，這部分水流 在一定的條件下能產(chǎn)生頂蓋下至尾水管間的水力諧振或水力自激振動(dòng)。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在頂蓋下（ 即轉(zhuǎn)輪上腔）、尾水管、蝸殼以及鋼管內(nèi)都將產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)。例如天生橋水電站 3 號(hào)機(jī)在 2002 年5 月大修檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)尾水管彎管段產(chǎn)生環(huán)狀裂縫，其主要原因?yàn)榈皖l水壓脈動(dòng)激起尾水管壁振動(dòng)，當(dāng)其振動(dòng)頻率接近尾水管的固有頻率產(chǎn)生共振時(shí)，造成尾水管壁產(chǎn)生裂縫。 當(dāng)流體繞過物體時(shí)，在其后面的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)則交錯(cuò)排列的線渦，進(jìn)而互相干擾、互相吸引，俗稱卡門渦列，而物體則受到與流動(dòng)方向相垂直的交變力。當(dāng)卡 門渦列的沖擊頻率接近于水輪機(jī)葉片的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振，并拌有較強(qiáng)的且頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲?？ㄩT渦列主要出現(xiàn)在導(dǎo)葉和葉片的出水邊，它的頻率是以比較單純的噪聲形式表現(xiàn)出來，其頻率計(jì)算式為 其中： s 為斯特努哈數(shù)； d 為葉片尾部脫流厚度； v 為流速。故在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪、葉片或?qū)~時(shí)，要求機(jī)組及零部件的固有頻率避開卡門渦列頻率，或選用較好的葉型，而對(duì)于以投產(chǎn)運(yùn)行的機(jī)組，則要避開共振流速運(yùn)行，修改葉片的形狀或改變?nèi)~片的剛度。如浙江省黃壇口水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，渦列頻率與轉(zhuǎn)輪葉片長(zhǎng)期處于共振頻率下運(yùn)行，使葉片產(chǎn) 生疲勞裂紋。采用修整葉片出水邊厚度和形狀的方法，改變了卡門渦列產(chǎn)生的干擾頻率；在轉(zhuǎn)輪靠上根部葉片出水邊附近的葉片之間加焊了無縫鋼管撐筋，提高了轉(zhuǎn)輪葉片的固有頻率。這樣一來，共振現(xiàn)象就消失了。 2 水力原因引起機(jī)組的抬機(jī)現(xiàn)象 抬機(jī)現(xiàn)象是指在發(fā)電機(jī)停機(jī)關(guān)閉導(dǎo)葉后，由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上方壓力迅速下降，所導(dǎo)致的尾水管中水體回流將機(jī)組向上抬起的現(xiàn)象。三峽水電站某機(jī)組 3的抬機(jī)作用的頻率為1=3.62Hz ，蝸殼中水力不均勻的激振頻率為 2=18.75Hz ，導(dǎo)葉開度引起的水流不均勻的激振頻率為 3=2 7.5Hz。水輪機(jī)處受到水力的影響，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子則要受到電磁力的影響，其豎向電磁力的公式為： 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在大多情況下均高于其工作轉(zhuǎn)速，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于 2 倍或 3 倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超諧波共振；對(duì)于特殊要求的水輪機(jī)組，若設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，則當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于 1/2 倍或 1/3倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)亞諧波共振。以上兩種情況在機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)予以避免。 以五強(qiáng)溪水電站 4 號(hào)機(jī)組為例 4，其基本數(shù)據(jù)如下：額定功率： 240MVA，額定電壓： 15.75KV，額定電流：9815.7A（ 50Hz） ，定子轉(zhuǎn)子間平均氣隙： 0.02m，轉(zhuǎn)子有效長(zhǎng)度： 1.99m，額定轉(zhuǎn)速： 68.18r/min，轉(zhuǎn)子平均半徑： 8.29 m，極對(duì)數(shù)： p=44，軸系總長(zhǎng)： 21.5m，轉(zhuǎn)子質(zhì)量：8.55105kg ，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪質(zhì)量： 2.852105kg ，上導(dǎo)支承剛度為： 1.0109N/m ，下導(dǎo)支承剛度為： 1.667109N/m 。 筆者用有限元法計(jì)算了軸系橫向振動(dòng)的動(dòng)態(tài)固有頻率和振型 5，計(jì)算時(shí)考慮了陀螺力矩、剪力、磁拉力和水的附加質(zhì)量，得到橫向振動(dòng)第一階固有頻率分別為： f1=3.56Hz。在不平衡 電磁力中含有轉(zhuǎn)頻 （ =1.136Hz ）和 2 倍轉(zhuǎn)頻的成分，它們會(huì)組合成 3=3.4Hz ，這個(gè)值和軸系的第一階固有頻率很接近，即： +2f1 ，所以在不平衡電磁力激發(fā)下很可能發(fā)生組合強(qiáng)迫共振。 筆者同樣用有限元法計(jì)算了軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)固有頻率和振型 6，考慮了轉(zhuǎn)子支架的彈性和水輪機(jī)的彈性，并將轉(zhuǎn)輪里的水質(zhì)量進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目紤]，得到了前三階扭振頻率為： 9.061Hz， 101.182Hz，122.805Hz，而在交變電磁轉(zhuǎn)矩作用下整體轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為：0=1.325Hz 。由于電磁轉(zhuǎn)矩含有轉(zhuǎn)頻 （ =1.1 36Hz）的成分，它和整體轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率 0 很接近， -00 ，容易引起強(qiáng)迫共振。當(dāng)兩相線間短路時(shí)，定子負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序磁場(chǎng)會(huì)在勵(lì)磁繞組里感應(yīng)出一個(gè)頻率為 2 =100Hz 的交流電流，它和軸系第二階扭振頻率 101.182Hz 很接近，即： 2 -20 ，也會(huì)引起強(qiáng)迫共振。 4 廠房的共振 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)是十分復(fù)雜的，一般情況下水流、機(jī)械、電磁多種誘因同時(shí)存在，機(jī)組與廠房結(jié)構(gòu)龐大，互相耦合。 所以要單一地確定每種頻率成分的產(chǎn)生原因是不可能的，只能根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)測(cè)情況對(duì)眾多頻率成分進(jìn)行 大致的分類，并確定優(yōu)勢(shì)振動(dòng)頻率。位于唐山市北部遵化縣境內(nèi)的潘家口水電站 1 號(hào)機(jī)組，近年來多在高水頭范圍內(nèi)運(yùn)行，偏離水輪機(jī)最優(yōu)工況，因而機(jī)組振動(dòng)、噪聲嚴(yán)重，難以穩(wěn)定運(yùn)行，并多次造成尾水管、減壓板等部件損壞。筆者曾多次到該水電站調(diào)研，在廠房?jī)?nèi)明顯感覺到地板顫動(dòng)，隔著2 3m說話基本聽不清，有時(shí)甚至離著電站數(shù)公里都能聽到機(jī)組的噪聲。 一般情況下，無論機(jī)組還是廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)均隨著負(fù)荷的增大逐漸減小，各部位低負(fù)荷工況的振動(dòng)較為強(qiáng)烈。機(jī)組的振動(dòng)測(cè)試能反映廠房振動(dòng)的某些規(guī)律，但廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)與其自身結(jié)構(gòu)型式、剛度和 材料等因素密切相關(guān)，所以有其自身的振動(dòng)特性。要解決這類問題，還得綜合考慮，確定主振源，并對(duì)此進(jìn)行有效控制。 5 結(jié)束語 通過以上的分析，我們總結(jié)解決水電機(jī)組共振及噪聲的辦法如下： （ 1）向尾水管補(bǔ)氣。我國(guó)獅子灘、石龍壩、拓溪、大伙房等電站加裝尾水管補(bǔ)氣后，對(duì)消除共振及出力擺動(dòng)有明顯的效果，潘家口電站機(jī)組采取強(qiáng)迫補(bǔ)氣解決了噪聲過大以及水輪機(jī)振動(dòng)過大不能運(yùn)行的問題。 （ 2）在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)卡門渦列的頻率以及葉片、固定導(dǎo)葉的頻率，使其相互錯(cuò)開。 （ 3）對(duì)于電磁原因引 起的振動(dòng)和噪聲，可以通過調(diào)整均勻氣隙長(zhǎng)度；改變定子鐵心圓環(huán)整體的固有頻率以避免與勵(lì)磁電流頻率接近；避免短路；壓緊鐵芯，防止松動(dòng)等。 （ 4）對(duì)于機(jī)組與廠房整體共振問題，可以進(jìn)行整體實(shí)測(cè)分析，找出主要的振動(dòng)源，并切斷振動(dòng)傳送路徑。 【參考文獻(xiàn)】 1王國(guó)秉 .關(guān)于俄羅斯薩揚(yáng) 舒申斯克水電站事故的思考 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