改善水轮机的振动特性

　　随经济发展对电力的需求的不断提高，当今水电机组的水轮机尺寸和输出功率越来越大，虽然制造工艺和材料强度都得以提高，但在高转速和大的水头变幅条件下，无论是轴流式还是混流式，水轮机部件的刚度和……

　　随经济发展对电力的需求的不断提高，当今水电机组的水轮机尺寸和输出功率越来越大，虽然制造工艺和材料强度都得以提高，但在高转速和大的水头变幅条件下，无论是轴流式还是混流式，水轮机部件的刚度和运行的稳定性问题日益突出。但凡旋转部件，就不可避免的会产生振动，水轮机的转轮、导流叶片和旋叶等部件在自身转动惯性、重力、离心应力、水流的不稳定性冲击以及导叶尾缘脱体卡门涡的周期性扰动等因素的作用下，很容易失稳并诱发振动。即使不发生共振.水轮机若长期工作在高频的激振条件下，其部件也很容易发生疲劳损坏，如叶片发生裂纹等。若激振频率与部件的水下共振频率一致时，将会导致水轮机部件的严重损坏.如导叶的断裂等。这不仅仅会影响机组水轮机本身的机械寿命，所引发的问题也会降低供电质量，高频振动的噪音也会严重恶化机组操控人员的工作环境。同时.机组的振动在很大程度上也会诱发水电厂房的振动并引发坝体高应力部位产生裂缝，造成重大的财产损失和安全隐患。历史成曾多次出现导叶和旋叶的疲劳断裂事故，由此人们对此进行的大量细致的研究，并得出了许多阶段性的研究成果，如叶片、转轮在空气中的自振特性等。

　　随仿真模拟技术和计算力学的发展，对水轮机部件的振动特性的研究也呈现出了新的特点。由过去的单一依靠实验测量，变为高质最、低成本的计算与实验的结合。由于水轮机转子叶片与水这种可认为不可压的工质直接接触，水流在流经导叶片后在叶片尾缘脱体，对转子部件造成高频的周期性的动载荷扰动.在假设直接与叶片接触的流体部分的各物理参数与柔性的叶片表面的物理参数相同的前提下，叶片的颇振又回直接影响流体的稳定性，之后流体的附加后的振动再进一步作用于叶片，也就是所谓的流固祸合问题。单一的求解流体或者固体部分的控制方程并未能得到理想的结果。在水轮机选型和设计阶段.对水轮机在水下的的各阶共振特性准确把握是工程建设的必要前提。本文基于有限元方法.建立并求解水轮机部件的流固祸合控制方程，研究水轮机在水下的振动特性。也就是将流体的简化后的N-S方程和固体部分的结构动力方程祸合计算求解，并将水轮机部件在空气中和水中的振动特性做比较，以期对水电机组的建设提供参考。

　　改善振动特性的措施

　　现阶段，叶型的设计已经有相关数据库和分析软件，在进一步提高加工工艺和材料屈服强度的同时，一些用来改善水轮机振动特性的相关措施也是必不可少的。

　　(1)加设稳流装置

　　通过对水轮机周围流场的仔细分析和研究，例如通过数值计算得到具体的流场参数分布后，可有针对性的在流场内加设一些流阻不大但可有效限制流动脉动的设备装置，例如在转轮下设置+字架头，改变转轮导流锥流型等。相关的实践经验表明这些都是极为有效的防止共振发生的方法。

　　(2)补气

　　机组在部分负荷工况下运行时，在转轮下方会形成真空区，会导致叶片根部的水流形成漩涡，降低输出功率的水轮机效率。对该部位补气可有效解决这个问题。实验研究结果表明，在小负荷区域补气会由于气体均衡了流速场分布而导致流量和效率提高，特别是能均衡尾水管核心区的负值速度场，进而加大了转轮下侧面的压力，但当开度较大时，此处的分散的能量却得不到合理的利用。对于高转速和低水头工况的水轮机补气会导致机组出力特性变差。对于高转速机组补气则可能带来效率降低的不利影响。因此，在具体实施时要有针对性，具体问题具体分析。

　　(3)修整叶片出水边角度

　　休整叶片出水边角度可在高负荷工况下很大幅度的降低尾缘流体的脉动，进而降低引发水轮机共振的几率。且随最优化的运行特性向更大流量的推移，还可增加机组的效率，由此带来显著的经济效益。

　　结论

　　本文以三维有限元方法分析了混流式水轮机转轮的流固祸合振动特性问题。结果表明，水轮机的旋转部件在水中的振动特性与其在空气中单纯由转动引起的自振频率是不一样的，呈非线性下降趋势。且水轮机部件的疲劳裂纹的产生并不是由材料的静强度不够引起的，在接近共振的周期性动载荷的激励下，大应力部分产生高周疲劳是损坏的主要原因。随计算力学的发展，依软件模拟来求解流固祸合问题是水轮机振动特性研究的一个可能的发展方向。由大天数控加工中心 http://www.hzdtsk.com整理发表，转载请注明