影響燈泡貫流式機組振動的因素分析

倪揚

（國家電投集團廣西長洲水電開發有限公司，廣西梧州543002）

0 引言

長洲水利樞紐位于廣西梧州市上游12 km的潯江干流上，樞紐橫跨三江兩島。工程安裝15臺單機容量42 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量為630 MW、年設計發電量30億kW·h，是一座以發電為主，兼顧航運、灌溉等綜合效益的大型水利樞紐工程。燈泡貫流式機組具備運行效率高、過機流量大等優點，但是由于結構特點容易引發機組振動，威脅水電站的運行安全，因此對于燈泡貫流式機組振動問題的研究具有重要的現實意義，能夠更加全面地掌握燈泡貫流式機組的支撐特點，了解導致燈泡貫流式機組振動的主要影響因素。

1 燈泡貫流式機組的支撐特點

燈泡貫流式機組最明顯的特征就是燈泡形狀的大型薄殼外壓容器，機組整體承受包括重力、水壓力、水浮力、正反向水推力、電磁力矩、水力矩等多種不同類型的負載，而起主要承擔作用的是燈泡貫流式機組的支撐體-管型座[1]。這里以長洲電廠的管型座為例對燈泡貫流式機組的支撐特點進行介紹，管型座主要包括內外兩部分，通過上下垂直和左右水平的空心支柱將內外管型殼連接為一個整體。垂直空心支柱的主要作用是方便工作人員上下燈泡體，在運行使用中，管型座將機組承受的各種載荷傳遞到水電站的大壩基礎上。

在定子外殼的下部和兩側分別裝設兩根球面輔助支撐對定子外殼進行支撐固定。垂直和水平支撐分別承受自重、浮力和振動力矩、磁拉力的側向分力。而在機組內部靠近發電機和靠近水輪機的一側分別設有一個組合式軸承和徑向軸承，共同承擔支撐機組轉動部分總重量的作用。

與傳統的立式軸流式機組相比，燈泡貫流式機組具有合理的流道型式，減小了水力損失；并且具有較高的效率和能量參數；整機的重量較輕、體積較小；并具有較強的適應性和較高的穩定性等特點。

2 燈泡貫流式機組的振動影響因素

從上文的分析可知，燈泡貫流式機組與立式機組的結構區別較大，支撐受力情況也更加復雜。燈泡貫流式機組依靠水平和垂直球面支撐對整個機組進行支撐固定，在機組運行中穩定性較差，而且更容易出現振動故障[2]。一旦機組出現振動故障就會造成比較嚴重的運行問題，比如加速泡頭內碳刷的磨損，加劇測速探頭的磨損，導致振動擺度傳感器探頭損壞等，甚至可能造成端子松動、槳葉接線松動等故障，引發機組停機。而且機組振動會造成比較嚴重的噪音污染，影響工作人員的身心健康。這里以長洲水電站燈泡貫流式機組為例，對造成機組振動的影響因素進行深入分析。

2.1 液體氣蝕造成的機組振動

在液體流動過程中，如果溫度一定，當壓力下降到某一特定的壓力值，就會出現液體氣化或者溶解的情況，進而在液體內部形成空穴。這樣就會破壞液相流體運動的連續性，通常把這種液體氣化或者溶解的現象稱為空化。當空穴進入壓力更低的區域，氣泡就會變大，當壓力不斷變化超過臨界值時就會出現氣泡潰滅的情況，在氣泡爆裂的瞬間，會損壞過流表面的材料，造成空蝕。所以說氣蝕的本質分為空化和空蝕兩個階段。

2.1.1 間隙空化、空蝕造成的機組振動

當水流經過狹小通道間隙時，速度往往會局部升高，相應的其局部壓力就會下降，當壓力下降到一定程度時就會造成間隙空化和空蝕現象。在燈泡貫流式機組的運行中，間隙空化和空蝕現象最常出現在槳葉葉片位置附近。在轉輪室和機組槳葉葉片外部邊緣以及轉輪體與葉片根部之間都存在比較小的縫隙，水流流經這些縫隙后就會形成高速低壓的射流，引發空化現象[3]。而且轉輪旋轉過程中，槳葉某些位置會不斷地在低壓和高壓狀態下切換，形成高低壓循環變換的狀態，轉輪室內壁由于受到這種周期性變化的壓力的沖擊，就會引發機組的振動。

2.1.2 空腔氣蝕引發機組振動

在燈泡貫流式機組的尾水管中心空腔位置可能會出現水流渦帶造成的空蝕。在燈泡貫流式機組運行過程中可能會出現水輪機偏離設計工況的狀況，在轉輪出口水流圓周分速度的作用下，旋轉的水流會不斷匯聚從而形成較大的帶狀渦流，而在渦流的不同位置，壓力也各有不同，在中心位置處于較大的負壓狀態。這種壓力狀態下就會出現渦流空蝕現象，最終產生的氣泡會在機組的尾水管內潰裂，導致壓力場發生變化，并引發機組振動及噪音污染。空腔氣蝕引發的機組振動主要發生在機組低負荷運行的狀態下。

2.1.3 局部空化空蝕引發的機組振動

機組設備在加工制造過程中在某些位置可能存在表面不平整、氣孔、砂眼等加工缺陷[4]，液體流動過程中遇到這種缺陷也會發生流態突變的情況，引發局部空化空蝕。在燈泡貫流式機組內，這種情況最容易在導流錐間隙、不平滑的臺階處以及外配水環、轉輪室等位置附近出現。某水電站設計中，在槳葉葉片下方的轉輪室內壁上設置尾水進入門孔，內壁就要設計相應的不平滑臺階結構，在水流運動中會在臺階位置出現脫流狀況，引發壓力脈動，造成機組振動。

2.2 卡門渦列引發機組振動

除了常見的空化空蝕現象，在液體流動過程中還會出現卡門渦列現象，主要出現在非線性障礙物附近，具體變現為一系列的變態漩渦。卡門渦列中的漩渦會交替做順時針或者逆時針的旋轉變化[5]，而且處于循環產生與破滅的過程中，因而會對機組造成持續性的沖擊。旋轉的水流會形成對物體的垂直交變振動力，在燈泡貫流式機組內具體表現為葉片尾部受到的交變力，而且由于交變頻率與漩渦頻率相同，可能會出現交變力頻率與葉片固有頻率一致的情況，這就會引發機組葉片的共振，甚至會破壞內部轉輪設備之前的連接強度。

2.3 導葉、槳葉協聯關系參數設計不合理

合理設計燈泡貫流式機組內導葉和槳葉的協聯關系參數能夠實現導葉與槳葉隨機組負荷變化而同步變化的狀態，從而實現最優工況運行。一旦參數設置不合理就會造成機組出力受限的情況，而且水流會沖擊葉片，葉片受力及產生的扭矩都會發生變化，進而造成機組振動。

除此之外還可能受到由于調速器系統運行異常、機組低負荷運行或者水位波動較大等原因造成的機組振動。

3 結語

通過本文分析可知，加強對影響燈泡貫流式機組振動的因素的分析具有重要的作用。燈泡貫流式機組支撐結構與立式機組差別較大，受力穩定性較差，在運行過程中會受到諸多因素的影響，出現不同類型的振動故障，遇到更多更復雜的問題，這就需要水電廠工作人員不斷加強對于燈泡貫流式機組的研究，勤于調整不同水頭下機組的水頭設置，導、槳葉的協聯開度，減小機組振動，使機組運行于最優工況。同時采集各機組最優工況的運行數據，形成數據庫，為后期處理燈泡貫流式機組的振動問題提供參考。