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某电站水轮机活动导叶振动原因分析与处理

抽蓄技术交流 2022-10-17 10:08 发文

卡门涡引发水轮机共振问题,在早些年国内某些电站也多次出现过。近年来,随着国内学者以及水轮发电机组生产厂家对这一问题的深度研究,卡门涡共振问题出现频次逐渐减少。当然,这只是在制造前期根据预设的相关参数提出针对卡门涡的预估模型,再通过优化设备结构形式尽可能降低卡门涡出现的可能性。水力学因素对水轮机的影响效果是非常复杂的,在建模分析时受到研究者能力、经验等的影响,并不能百分之百避免卡门涡共振问题。

某水电站机组在运行时出现高负荷振动区,即当发电机输出有功为额定 =80%负荷以下时机组运行稳定;但输出功率超过这个值并逐渐接近额定输出时,在发电机层逐渐出现高频振荡的共鸣声;同时伴随有发电机层楼靠近机组处以及栏杆等处出现振动。当机组出力超过 80% 负 荷后,部分活动导叶出现激烈振动的现象,伴随着出力的增加,振动感变强。

在查阅国内外文献资料中发现同类问题也在其他水电站出现过,也就是卡门漩涡导致的水轮机导水机构出现高频振动。对比卡门漩涡出现的机理,基本把问题出现的原因锁定在导叶出现的卡门涡振动,只是要最终确定下来还需要进一步验证;毕竟要处理它是需要在水轮机关键部件上实施破坏的,因此这一步需要特别谨慎。导叶要出现卡门涡振动需要具备的前提条件是导叶自身的固有频率恰好和当前工况下出现的漩涡振动频率一致。为了验证二者是否会出现频率吻合,由水轮机生产厂家在其建立好的模型上进行模拟及有限元分析。在分析其数据时发现无论水流速如何,活动导叶及固定导叶的固有频率始终维持不变,但是随着水流速的增加,卡门涡脱开导叶出水边时的振动频率却是在不断非线性增长。也就是说,有向导叶固有频率不断靠近的趋势,并且当水流速接近额定流速时,卡门涡的振动频率保持稳定且与导叶固有频率基本吻合。

需要注意的是:活动导叶的卡门涡街和活动导叶固有频率耦合发生共振从而产生振动;另外水轮机导叶又分为固定导叶和活动导叶,在机组大负荷运行状况下固定导叶和活动导叶间距很小,不能排除固定导叶的卡门涡街作用于活动导叶使活动导叶共振而发生振动现象。该电站水轮机活动导叶出水边产生卡门涡引发共振问题进行了从发现到分析以及解决处理过程的系统研究。通过测振仪监测导叶实际振动波形及频谱图,再结合机组运行实际参数建模分析,对比二者之间的关联关系,最终将振动源锁定在卡门涡共振;再通过建模分析导叶结构形状,结合修磨导叶出水边来改变卡门涡振动频率,使得导叶固有频率与卡门涡频率出现较大差别,从而避免了共振。

对固定导叶及活动导叶出水边进行修型可破坏原有卡门涡振动与导叶固有振动之间的高度拟合,从而消除卡门涡共振问题,使得机组运行更趋于平稳。卡门涡振动问题对于水轮机导叶这类绕流结构是不可避免的,但是在机组前期建模分析及结构设计过程中通过严谨的有限元分析及结构优化(尤其是导叶脱流区域的几何形状优化)可最大限度地降低卡门涡共振出现的可能性。

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