水电机组的运行稳定性及水轮机转轮裂纹

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1、水电机组的运行稳定性 及水轮机转轮裂纹,樊 世 英2012.04.15,第一部分 水电机组的 运行稳定性,第一部分 水电机组的运行稳定性,目 录 1 引言 2 电气原因造成的机组运行不稳定 3 机械和热力原因造成的机组运行不稳定 4 水力原因造成的机组运行不稳定 5 确保水电机组安全稳定运行之策 6 机组运行稳定性的评价标准讨论,1 引 言,1 引 言,随着大中型水电机组尺寸、容量的不断增加，以及运行环境的复杂化，近年来陆续发生了一些带普遍性的质量问题。如发电机电磁振动、水轮机转轮叶片裂纹，以及其它因电气、机械、水力原因引起的运行不稳定所造成的事故。这些事故虽已得到较好地解决。但对事故原因的认

2、识还不够深入，预测手段和预防措施也不够有力。对此，还需在理论上和工程实践中继续努力、不断探索创新。,2 电气原因造成的 机组运行不稳定,2 电气原因造成的机组运行不稳定,机组运行不稳定的电气原因多种多样：气隙不均匀造成的极频振动；分数槽绕组产生的次谐波振动；定子铁芯松动引起的瓢曲和振动；不对称三相负荷运行引起的机座和转子振动；电网突然短路引起的发电机扭振等。,2.1 气隙不均匀,2.1.1 静态气隙不均匀 振动特征： 振幅随励磁电流的增加而增大，随发电机出力的增加而增大。 振幅随气隙不均匀度的增大而增大。 造成发电机导轴承过负荷，引起导轴承振动，并造成上机架振动。 举例：盐锅峡10# 、水口、

3、铜街子1# 。,2.1.2 动态气隙不均匀 运行中转子磁极松动，可造成动态气隙不均匀。此时，最小气隙的空间位置是变化的。 举例：加拿大曼昆、红岩子等。 2.1.3 预防对策 提高定、转子圆度和同心度。 修订现行水轮发电机安装标准。 提高安装质量，避免磁极在运行中松动。,2.2 分数槽产生的次谐波, 发电机振动特征： 振幅随定子电流的增加而增大； 上机架的振动比较明显。 举例：玉堂、三峡右岸18#。 预防对策： 采用分数槽绕组，要仔细进行次谐波振动、噪声分析及核算。 优化分数槽接线方式，尽量减小次谐波的量级。,2.3 定子铁芯冲片松动及定子铁芯瓢曲, 振动特性: 振幅与励磁电流大小有关。 伴随产

4、生明显的电磁噪声。 上机架振动比较明显。 举例: 漫湾。 预防对策: 提高铁芯的整体性和刚度，对铁芯冲片、冲片漆、拉紧螺杆等选用高质量材料。 铁芯采用分段热压，确保加热温度、加热时间和合理的压紧力。 铁芯与机座采用径向浮动结构。,2.4 不对称三相负荷运行, 振动特性： 振幅与负序电流的大小成正比。 振幅随负荷增加而增大。 定子铁芯的振动呈驻波式椭圆振动。 预防对策： 发电机设阻尼绕组减小负序电流。 电力系统在设计、运行中采取措施，减小负序电流。,2.5 发电机出口突然短路, 振动特性 突然发生，破坏性强。噪声变化剧烈。振动形式为扭振。破坏机组、危及电力系统。 举例：江油火电、小浪底、伊泰普。

5、 预防措施进行机网耦合仿真计算，采取必要措施。,2.6 其 它,造成机组运行不稳定的电气原因还有：定子分瓣合缝面松动、错位。定子线棒固定松动。定子绕组并联支路中存在环流。转子线圈交流阻抗不平衡。,3 机械和热力原因 造成的机组运行不稳定,3 机械和热力原因造成的机组运行不稳定,机组轴线不正或对中不良。转动部分质量不平衡。机组支撑结构或者轴系刚度不足。推力轴承制造、调整不良。导轴承缺陷或间隙调整不当。轴密封调整不当。双调机组协联关系破坏。水斗式水轮机尾水上涨或水斗缺口排流不良。,3.1 机组轴线不正或对中不良,发电机上端轴和转子中心体不同心； 转子中心体和发电机轴不同心； 水轮机和发电机轴心不成

6、一条直线。 转轴弯曲、偏心、曲折。 发电机定、转子不同心。 水轮机上、下止漏环不同心。 冲击式水轮机喷管与水斗不对中。, 振动特性：振幅与机组出力无关，空载工况也振动。对转速不敏感，60100%额定转速范围内振幅较大。转轴的径向振动明显。振动主频为转频。 预防措施：确保制造、安装质量。,3.2 转动部分质量不平衡, 振动特性： 振幅与机组出力无关，空载工况也振动。 振幅大致与转速平方成正比。 径向振幅大，轴向较小。 主频为转频。 预防措施： 对可能引起质量不平衡的部件，设计上采取配重措施。 采取可靠措施，防止磁轭运行中不均匀径向外移。 提高磁轭堆积和磁极挂装质量。 采用先进的检测仪器和计算机软

7、件，优化现场动平衡。 对高速、长转子，可在转子上、下端不同方位配重。龙滩采取该措施，消除了转子的不平衡力偶。,3.3 机组支撑结构或轴系刚度不足,（1）振动特性： 振幅随转速升高而增大。 振幅与刚度系数成反比。 发电机定子振动较为明显。 振动主频转频。 （2）举例： 青海尼娜、湖南凌津滩、四川青居等灯泡贯流式机组由于支撑结构或者轴系刚度不足，均发生过发电机转子扫膛。 （3）预防措施： 支撑结构应有足够的静、动态刚度。,3.4 推力轴承制造、调整不良, 振动特性：空载、低速下即振动。振动随轴瓦数的增多而减小。负荷机架处的振动较明显。振动频率为轴瓦数与转频的乘积。 预防措施：提高推力轴承的设计制造

8、安装质量。,3.5 导轴承缺陷或间隙调整不当, 振动特性：运行一段时间后，振动情况会发生变化。主频为转频。振动在空载、低转速下就发生。 举例：五强溪等。 预防措施：借鉴同类机组经验，选取合适的冷态间隙。根据振摆和轴瓦温度值，及时调整轴瓦间隙。,3.6 轴密封调整不当, 振动特性： 主轴径向盘根密封、轴承盖板的防油雾密封、轴瓦托架处的压力油腔密封，如果调整不当，四周压紧力不均、润滑不良，都会使转轴横断面四周受热不均匀，由热力不平衡引起严重振动。 振幅随转速上升和运行时间的增长而增大。 机组再次开机初始，振动会恢复正常。 主频为转频。 举例: 瀑布沟3#机。 预防措施： 采用无接触密封结构。精心调

9、整，使密封四周间隙、受力均匀，润滑良好。,3.7 水轮机导叶和桨叶协联关系破坏,转桨式或贯流式机组导叶和桨叶协联关系不当，也可能引起机组振动。 湖南洪江5台灯泡贯流式机组自2003年3月首台机投运后一直运行稳定，2005年投入AGC后，机组频繁大幅度调节，导叶和桨叶协联关系跟不上调节速度，机组振动强烈，退出AGC后运行恢复正常。 广东飞来峡因导叶卡阻，协联关系破坏，造成机组因强烈振动而事故停机。,3.8 水斗式尾水上涨或水斗缺口排流引起的振动,（1）尾水上涨 水斗式转轮附近的空气被高速射流或离开水斗的水流带走后，转轮室会出现真空，引起尾水倒流，扰乱水斗正常工作，引起机组振动。 广东潭岭和云南以

10、礼河三级水轮机都因此引发过机组的强烈振动。 预防措施：在机壳内侧和喷管旁设足够大的补气孔，补入大气，消除真空。 （2）水斗缺口排流 水斗数少、缺口形状不良可造成缺口排流，引起振动。 预防措施：选取合理的水斗数、改进缺口形状或减小射流直径。,3.9 其 它,机组转动部件与固定部件相碰。重要紧固零部件松动。主轴刚度不足等。,4 水力原因造成的 机组运行不稳定,4 水力原因造成的机组运行不稳定,水轮机中存在着各种水力不稳定现象：叶道涡、卡门涡、尾水管涡带、小开度压力脉动、高部分负荷压力脉动、导叶与叶片之间的干涉、水力自激振动，以及过渡过程中的各种特殊的不稳定现象等。,4.1 叶道涡引起的水力不稳定,

11、 发生机理：叶道涡起源于混流式水轮机远离最优工况时叶片进口和上冠处的脱流。 危害：巴基斯坦塔贝拉 、巴西两个ALSTOM提供机组的电站、GE为龚嘴改造的两台水轮机。 预防措施： 优化上冠和叶片头部型线。 设计水头取较高值，以避开高水头叶道涡。 顶盖上预留压缩空气补气孔，以备必要时补入压缩空气。 避开在叶道涡发生区域运行。,4.2 卡门涡, 产生机理：流体绕过固体物体时，物体尾流两侧产生成对、交替排列、旋转方向相反的对称涡旋，即卡门涡。水流绕过固定导叶、导叶和转轮叶片时会产生卡门涡。 危害：如涡的频率与绕流部件自然频率相近，则发生共振，造成危害： 使绕流部件因动力响应而产生高频动应力，短时间内即

12、发生疲劳破坏（大朝山）。 造成频率相近的邻近部件发生共振响应（丹江口）。 产生很大噪声（小浪底、大朝山）。, 防治： 削薄叶片或固定导叶出水边的厚度，提高涡的频率，避开共振。 预测卡门涡频率，叶片、固定导叶的自然频率，采取错频措施。 脱流部件边界层厚度和脱流点位置很难准确计算，叶片出水边各点的相对速度也不相同，难以准确预测叶片卡门涡频率，绕流部件的水下自然频率的计算也存在误差。最好根据情况具体处理。,小浪底和大朝山转轮叶片出水边修薄 方案比较,左图为小浪底转轮叶片出水边修薄方案 右图为大朝山叶片出水边最终修薄方案,4.3 尾水管典型涡带, 尾水管涡带：水轮机偏离最优工况运行就会有尾水管涡带发生

13、。 危害： 伴随发生同频率的尾水管压力脉动。引起机组振动、噪声、出力摆动，甚至电站厂房的共振（岩滩）。 运行实践表明，同样的尾水管H/H或H，运行在最优水头以上的稳定性相对要差些。因此，高水头的稳定性问题更为人们所关注。 同一模型的水轮机，大机组的真机稳定性一般比中小机组差。这可能是大机组的刚度相对较差，主要部件的固有频率相对较低，容易激发振动的缘故。 降低措施: 优化水力设计：采取负倾角翼型，叶片出口环量合理分布，优化上冠和泄水锥型线等。高水头混流式水轮机还可选用带副叶片的转轮。 采用轴中心自然补气，必要时也可在顶盖或其它部位进行强迫补气。 国外曾研究过多种在尾水管设置阻尼，以减轻涡带的办法

14、。但实用效果都不甚理想，有时还可能有负作用。,4.4 小开度压力脉动,国内石泉、龚嘴、刘家峡、李家峡等电站，水轮机小开度下的尾水管压力脉动幅值超过，甚至远超过典型涡带区压力脉动的最大值，频率通常为转频的数倍。石泉、龚嘴等电站的转轮上腔和蜗壳中也同步出现很大的压力脉动值。 小开度区偏离最优工况最远，流道中发生漩涡、脱流与空化等各种水力不稳定现象必然更为剧烈和复杂。由于各种不稳定现象的出现，不但可能产生较大的压力脉动幅值，脉动频谱的构成也更加繁杂。这就可能在水轮机转轮和/或其它部件上产生频率较高的动应力，促使部件疲劳而发生裂纹。大朝山真机试验证实，机组小开度运行时，水轮机转轮上存在较大的动应力。 从脉动的幅值看，小开度压力脉动基本上可以分成两种情况，一种是压力脉动幅值远大于尾水管涡带区的压力脉动最大值；另一种则比尾水管涡带区的压力脉动最大值要小，或者相当。对于第一种情况宜避开运行，对于第二种情况也以限制运行为好。 空载也是小开度工况，但流量小，水流的扰动能量较低，其运行稳定性往往比小开度部分负荷要好。,