水電站機(jī)組及廠房振動(dòng)特性研究

徐曉犁

【摘要】隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力行業(yè)也在逐漸崛起，而發(fā)電機(jī)在水電站的運(yùn)行過(guò)程中起著非常重要的作用，一定要確保發(fā)電機(jī)的良好運(yùn)行。異常振動(dòng)就是一項(xiàng)非常常見(jiàn)的故障，而且也是非常重要的，一定要對(duì)其引起重視，該文對(duì)水電站發(fā)電機(jī)和機(jī)房異常振動(dòng)故障造成的危害以及發(fā)生的原因和解決措施進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望能夠確保發(fā)電機(jī)在水電站中有效運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】水電站;機(jī)組;廠房;振動(dòng);特性

1、水電機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)分析

振動(dòng)問(wèn)題是水力發(fā)電技術(shù)中發(fā)電機(jī)組普遍存在的問(wèn)題，基本上難以避免。水電機(jī)組的各部件在工作當(dāng)中不可避免的會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，但是振動(dòng)幅度一般有固定的范圍，若是振幅超出范圍之外，很有可能會(huì)直接影響整個(gè)水電機(jī)組的安全，使之使用壽命減少。在水電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，受機(jī)械慣性、摩擦力的影響不免會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)問(wèn)題，這些因素所導(dǎo)致的震動(dòng)往往是機(jī)械震動(dòng)，其原因是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、軸承存在缺陷、機(jī)組軸線位置錯(cuò)誤所造成的。如果水電機(jī)組是由于動(dòng)水壓力而導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)，那么其水利部分造成震動(dòng)問(wèn)題則主要是由于以下三個(gè)因素造成的，即水力不均、渦輪開裂、尾水管不穩(wěn)定所造成的。除此之外，如果水電機(jī)組受電磁干擾過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，其主要原因是由于電機(jī)短路、發(fā)電機(jī)相位不對(duì)稱造成的。但不論是何種因素造成振動(dòng)問(wèn)題，需要認(rèn)識(shí)到的是，任何振動(dòng)現(xiàn)象都會(huì)對(duì)水電機(jī)組造成非常大的危害，正因如此，在水電機(jī)組的維護(hù)上必須要采取科學(xué)合理有效的措施及時(shí)預(yù)防、出現(xiàn)問(wèn)題技術(shù)處理才能夠避免故障發(fā)生。

2、水電機(jī)組運(yùn)行中的穩(wěn)定性與產(chǎn)生振動(dòng)的具體改進(jìn)措施

2.1 加強(qiáng)設(shè)計(jì)的合理性

在設(shè)計(jì)水電機(jī)組的過(guò)程當(dāng)中，不能只盲目追求參數(shù)高，有時(shí)候參數(shù)較低的水電機(jī)組的穩(wěn)定性也相當(dāng)好。在通常要求機(jī)組高效率工作的時(shí)候，就必須適當(dāng)減少葉片數(shù)目與厚度，這樣就直接造成了水電機(jī)組的穩(wěn)定性過(guò)低。在設(shè)計(jì)葉片的時(shí)候，可以考慮采用×型并且有負(fù)傾角的葉片，這種葉片能夠很好的適應(yīng)變化較大的高水頭。同時(shí)，還可以依照各個(gè)水電站的不同情況來(lái)選用合適的葉片數(shù)目與長(zhǎng)度。

2.2 制造工藝的改進(jìn)

水輪機(jī)過(guò)流表面形成翼型是最為理想的水利設(shè)計(jì)，但是要想實(shí)現(xiàn)這一理想，必須加強(qiáng)工藝改進(jìn)措施。精鋼型的鑄件，經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工過(guò)的轉(zhuǎn)輪葉片等等一些措施都能改善因水利不平衡和重量差異引發(fā)的問(wèn)題。同時(shí)，為了避免出現(xiàn)裂紋，還可以選用探傷、焊接及熱處理工藝來(lái)降低機(jī)組殘余力。在岸灘電站中，曾出現(xiàn)過(guò)因?yàn)檗D(zhuǎn)輪葉片出口中出現(xiàn)的壓力脈動(dòng)而導(dǎo)致共振的現(xiàn)象，甚至?xí)驗(yàn)楣舱褚l(fā)水邊裂紋。要想避免這一狀況的出現(xiàn)，可以采用先進(jìn)的制造工藝來(lái)進(jìn)行真空精煉，有效預(yù)防這一問(wèn)題的產(chǎn)生。

2.3 安全運(yùn)行

水電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中必須要嚴(yán)格依照相關(guān)操作規(guī)程與技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，如機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、加載卸載等環(huán)節(jié)都應(yīng)該科學(xué)合理對(duì)待，一旦盲目操作水電機(jī)組或急開急、停機(jī)組都會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。尤其是對(duì)于一些額定水頭值較低的機(jī)組而言，必須要加大高水頭符合穩(wěn)定性的改善力度，只有這樣才能夠真正緩解和提升發(fā)電機(jī)出力程度，進(jìn)而拓寬水電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，防止避免葉片出現(xiàn)開裂，造成水電機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)。

3、水電站廠方結(jié)構(gòu)振動(dòng)原因分析

3.1 水輪機(jī)組動(dòng)荷載相對(duì)增大。大型水輪機(jī)由于流量大、容易受到干擾的原因，其壓力相對(duì)于中小型機(jī)組要大得多。大型水輪機(jī)組用以承受壓力動(dòng)脈部件的面積越大，其產(chǎn)生的動(dòng)荷載也隨之變大。

3.2 振動(dòng)體固有頻率降低，而共振可能性增大。水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速屬于十低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其各種激發(fā)力的頻率都比較低。大型水輪機(jī)組振動(dòng)部件的固有頻率也相對(duì)較低，易十被低頻激振力激發(fā)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生共振，共振體可以是水體也可以使固體。如普遍存在于水電站發(fā)電過(guò)程中的引水管路水體共振情況，其可能會(huì)引起個(gè)別發(fā)電機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)現(xiàn)象。

3.3 振動(dòng)體剛度相對(duì)降低。在保持靜應(yīng)力和幾何相似相等的情況下，機(jī)組部件及廠房結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)隨著其線性尺寸的增大而減小。所以，可以定性的說(shuō)，中小型機(jī)組的的支持部件及轉(zhuǎn)輪葉片的剛度要比大型機(jī)組高。在相同的激振荷載下，大型機(jī)組的振動(dòng)相對(duì)于中、小型機(jī)組大很多。此外，還應(yīng)注意到，單純以強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)、簡(jiǎn)單的幾何放大，且不采取有效的預(yù)防措施，可能是致使某些大型水力機(jī)組穩(wěn)定性不好的根本原因。

4、水電站廠房抗振設(shè)計(jì)研究

4.1 振動(dòng)傳遞途徑的優(yōu)化。由于廠房剛度、強(qiáng)度以及抗振的需要，大、中型水電站的風(fēng)罩的設(shè)計(jì)要求是，不采用有利于垂直抗振的設(shè)彈性墊層簡(jiǎn)支的連接方式，而應(yīng)使風(fēng)罩整體連接發(fā)電機(jī)層樓板。電機(jī)層樓板下的立柱可以增強(qiáng)樓板的剛度，但在蝸殼頂板上一般要盡量避免布置，因此，對(duì)于立柱的設(shè)置問(wèn)題要進(jìn)行充分的考慮。對(duì)于水電站廠房的構(gòu)架柱，則應(yīng)將力直接傳到廠房一期混凝土上，同時(shí)不宜設(shè)計(jì)在尾水管的頂板上，最合適的方式是恰好落在尾水管的分流墩上。

4.2 鋼蝸殼外圍混凝土澆筑方式的選擇。為提高水輪機(jī)組的基礎(chǔ)剛性，應(yīng)采用“充水保壓”蝸殼外圍混凝澆筑方式進(jìn)行澆筑，我國(guó)三峽水電站就是采用了這一方式。其原理是，鋼蝸殼外圍二期混凝土的建立采用了彈性墊層方案，蝸殼外圍不能有效的嵌固蝸殼中可能存在的水壓脈動(dòng)，如果采用“充水保壓”的澆筑方式，有利于鋼蝸殼與其外圍鋼筋混凝土緊密接合而成為一個(gè)整體，從而使外圍混凝土有效嵌固座環(huán)和蝸殼，提高水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

4.3 廠房結(jié)構(gòu)布置通常水電站廠房的上、下游邊墻適宜采用實(shí)體墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造，且應(yīng)和發(fā)電機(jī)層的樓板固結(jié)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋形樓蓋應(yīng)用于發(fā)電機(jī)層樓板的建造。對(duì)于根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出可能較容易發(fā)生較大振動(dòng)的部位，應(yīng)對(duì)其加大板厚，而后在其板內(nèi)連續(xù)配筋。此外，在發(fā)電機(jī)層樓板上不應(yīng)鑿設(shè)過(guò)多的用于通風(fēng)等的孔口，預(yù)防割裂發(fā)電機(jī)層樓板的整體性。

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