影响灯泡贯流式机组振动的因素分析

倪扬

（国家电投集团广西长洲水电开发有限公司，广西梧州543002）

0 引言

长洲水利枢纽位于广西梧州市上游12 km的浔江干流上，枢纽横跨三江两岛。工程安装15台单机容量42 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量为630 MW、年设计发电量30亿kW·h，是一座以发电为主，兼顾航运、灌溉等综合效益的大型水利枢纽工程。灯泡贯流式机组具备运行效率高、过机流量大等优点，但是由于结构特点容易引发机组振动，威胁水电站的运行安全，因此对于灯泡贯流式机组振动问题的研究具有重要的现实意义，能够更加全面地掌握灯泡贯流式机组的支撑特点，了解导致灯泡贯流式机组振动的主要影响因素。

1 灯泡贯流式机组的支撑特点

灯泡贯流式机组最明显的特征就是灯泡形状的大型薄壳外压容器，机组整体承受包括重力、水压力、水浮力、正反向水推力、电磁力矩、水力矩等多种不同类型的负载，而起主要承担作用的是灯泡贯流式机组的支撑体-管型座[1]。这里以长洲电厂的管型座为例对灯泡贯流式机组的支撑特点进行介绍，管型座主要包括内外两部分，通过上下垂直和左右水平的空心支柱将内外管型壳连接为一个整体。垂直空心支柱的主要作用是方便工作人员上下灯泡体，在运行使用中，管型座将机组承受的各种载荷传递到水电站的大坝基础上。

在定子外壳的下部和两侧分别装设两根球面辅助支撑对定子外壳进行支撑固定。垂直和水平支撑分别承受自重、浮力和振动力矩、磁拉力的侧向分力。而在机组内部靠近发电机和靠近水轮机的一侧分别设有一个组合式轴承和径向轴承，共同承担支撑机组转动部分总重量的作用。

与传统的立式轴流式机组相比，灯泡贯流式机组具有合理的流道型式，减小了水力损失；并且具有较高的效率和能量参数；整机的重量较轻、体积较小；并具有较强的适应性和较高的稳定性等特点。

2 灯泡贯流式机组的振动影响因素

从上文的分析可知，灯泡贯流式机组与立式机组的结构区别较大，支撑受力情况也更加复杂。灯泡贯流式机组依靠水平和垂直球面支撑对整个机组进行支撑固定，在机组运行中稳定性较差，而且更容易出现振动故障[2]。一旦机组出现振动故障就会造成比较严重的运行问题，比如加速泡头内碳刷的磨损，加剧测速探头的磨损，导致振动摆度传感器探头损坏等，甚至可能造成端子松动、桨叶接线松动等故障，引发机组停机。而且机组振动会造成比较严重的噪音污染，影响工作人员的身心健康。这里以长洲水电站灯泡贯流式机组为例，对造成机组振动的影响因素进行深入分析。

2.1 液体气蚀造成的机组振动

在液体流动过程中，如果温度一定，当压力下降到某一特定的压力值，就会出现液体气化或者溶解的情况，进而在液体内部形成空穴。这样就会破坏液相流体运动的连续性，通常把这种液体气化或者溶解的现象称为空化。当空穴进入压力更低的区域，气泡就会变大，当压力不断变化超过临界值时就会出现气泡溃灭的情况，在气泡爆裂的瞬间，会损坏过流表面的材料，造成空蚀。所以说气蚀的本质分为空化和空蚀两个阶段。

2.1.1 间隙空化、空蚀造成的机组振动

当水流经过狭小通道间隙时，速度往往会局部升高，相应的其局部压力就会下降，当压力下降到一定程度时就会造成间隙空化和空蚀现象。在灯泡贯流式机组的运行中，间隙空化和空蚀现象最常出现在桨叶叶片位置附近。在转轮室和机组桨叶叶片外部边缘以及转轮体与叶片根部之间都存在比较小的缝隙，水流流经这些缝隙后就会形成高速低压的射流，引发空化现象[3]。而且转轮旋转过程中，桨叶某些位置会不断地在低压和高压状态下切换，形成高低压循环变换的状态，转轮室内壁由于受到这种周期性变化的压力的冲击，就会引发机组的振动。

2.1.2 空腔气蚀引发机组振动

在灯泡贯流式机组的尾水管中心空腔位置可能会出现水流涡带造成的空蚀。在灯泡贯流式机组运行过程中可能会出现水轮机偏离设计工况的状况，在转轮出口水流圆周分速度的作用下，旋转的水流会不断汇聚从而形成较大的带状涡流，而在涡流的不同位置，压力也各有不同，在中心位置处于较大的负压状态。这种压力状态下就会出现涡流空蚀现象，最终产生的气泡会在机组的尾水管内溃裂，导致压力场发生变化，并引发机组振动及噪音污染。空腔气蚀引发的机组振动主要发生在机组低负荷运行的状态下。

2.1.3 局部空化空蚀引发的机组振动

机组设备在加工制造过程中在某些位置可能存在表面不平整、气孔、砂眼等加工缺陷[4]，液体流动过程中遇到这种缺陷也会发生流态突变的情况，引发局部空化空蚀。在灯泡贯流式机组内，这种情况最容易在导流锥间隙、不平滑的台阶处以及外配水环、转轮室等位置附近出现。某水电站设计中，在桨叶叶片下方的转轮室内壁上设置尾水进入门孔，内壁就要设计相应的不平滑台阶结构，在水流运动中会在台阶位置出现脱流状况，引发压力脉动，造成机组振动。

2.2 卡门涡列引发机组振动

除了常见的空化空蚀现象，在液体流动过程中还会出现卡门涡列现象，主要出现在非线性障碍物附近，具体变现为一系列的变态漩涡。卡门涡列中的漩涡会交替做顺时针或者逆时针的旋转变化[5]，而且处于循环产生与破灭的过程中，因而会对机组造成持续性的冲击。旋转的水流会形成对物体的垂直交变振动力，在灯泡贯流式机组内具体表现为叶片尾部受到的交变力，而且由于交变频率与漩涡频率相同，可能会出现交变力频率与叶片固有频率一致的情况，这就会引发机组叶片的共振，甚至会破坏内部转轮设备之前的连接强度。

2.3 导叶、桨叶协联关系参数设计不合理

合理设计灯泡贯流式机组内导叶和桨叶的协联关系参数能够实现导叶与桨叶随机组负荷变化而同步变化的状态，从而实现最优工况运行。一旦参数设置不合理就会造成机组出力受限的情况，而且水流会冲击叶片，叶片受力及产生的扭矩都会发生变化，进而造成机组振动。

除此之外还可能受到由于调速器系统运行异常、机组低负荷运行或者水位波动较大等原因造成的机组振动。

3 结语

通过本文分析可知，加强对影响灯泡贯流式机组振动的因素的分析具有重要的作用。灯泡贯流式机组支撑结构与立式机组差别较大，受力稳定性较差，在运行过程中会受到诸多因素的影响，出现不同类型的振动故障，遇到更多更复杂的问题，这就需要水电厂工作人员不断加强对于灯泡贯流式机组的研究，勤于调整不同水头下机组的水头设置，导、桨叶的协联开度，减小机组振动，使机组运行于最优工况。同时采集各机组最优工况的运行数据，形成数据库，为后期处理灯泡贯流式机组的振动问题提供参考。