三峽電站左岸6號機組小開度工況異常振動研究.pdf

1、三峽電站采用混流式機組，其轉(zhuǎn)輪葉片按“X”形設(shè)計，即所謂的負傾角葉片，這種形式的葉片對水頭和負荷變化的適應范圍廣，而且水輪機具有較高的平均效率，也能很好的防止葉片進水邊的脫流和空化，對高水頭、小開度工況有利。然而，影響混流式機組穩(wěn)定運行的因素非常復雜，某些因素目前還沒有獲得足夠的認識。此外，三峽機組是巨型機組，水體的固有頻率相對較低，容易激發(fā)產(chǎn)生水體共振。2003年8月6日，三峽左岸6號ALSTOM機組在過速試驗的關(guān)機過程中，當活動導葉

2、開度約為4％、轉(zhuǎn)速約為73rpm時，機組出現(xiàn)了強烈的異常振動現(xiàn)象。經(jīng)分析，振動的頻率是1．359Hz，其中渦殼內(nèi)部水壓脈動最大峰峰值達500kPa，超過了試驗時總水頭(約68m)的一半。其他結(jié)構(gòu)部件的振動雖然也有比較高的頻率存在，但都受到了1．359Hz的影響。還有一個值得注意的現(xiàn)象是，活動導葉開口之前的水體水壓脈動劇烈，而活動導葉開口之后的水體沒有發(fā)現(xiàn)明顯的水壓脈動。針對三峽機組的異常振動現(xiàn)象，供貨商ALSTOM公司采用Gibson法

3、估計出關(guān)機過程中流量的時間歷程，并認為是負流量導致了異常振動；哈爾濱大電機研究所通過模型試驗，得到了模型的全特性曲線，他們認為引起振動的原因，是水輪機從反水泵工況快速進入零流量，從而發(fā)生水錘現(xiàn)象所致。三峽機組在機小開度下的異常振動現(xiàn)象，對機組安全構(gòu)成了極大的威脅，也是迄今為止尚未報道過的現(xiàn)象。目前的水輪機穩(wěn)定性理論尚無法作出解釋。雖然供應商給出了一個解釋，但是這個解釋的根據(jù)并不充分，也不能為業(yè)界一致認可。
　　 本文對三峽機組小

4、開度異常振動現(xiàn)象進行了深入的研究，力圖揭示發(fā)生這個現(xiàn)象的原因。鑒于目前的模型試驗技術(shù)還不能模擬真機的動態(tài)特性，同時現(xiàn)場條件也不允許對真機的內(nèi)部流動進行測量，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，主要采用動態(tài)數(shù)值模擬的方法研究水輪機內(nèi)部水壓脈動產(chǎn)生的機理。獲得了如下成果：首先，在研究方法方面，本文從網(wǎng)格生成、湍流模式、差分格式、時間步長控制以及輸出控制等方面探索并發(fā)展了一套行之有效的水力機械動態(tài)數(shù)值解析策略。其中湍流模式采用DES，差分選用TVD型的M

5、ARS格式，并以經(jīng)典的圓柱繞流問題進行了驗證。本文編寫了C++程序，將耗時長、占用磁盤空間大的過程分解為若干子過程，并使得這些子過程能夠自動的、穩(wěn)健的執(zhí)行。其次，作為上述解析策略的算例并擴展水力機械漩渦流穩(wěn)定性理論的內(nèi)容，同時考慮到異常振動發(fā)生在小流量工況下，結(jié)合小流量下軸流泵和離心泵內(nèi)的不穩(wěn)定漩渦流動，討論了混流式水輪機在小流量下的流動特征。得到的結(jié)論是：⑴軸流泵在一定流量下存在旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。當旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生時，速度、壓力脈動的主頻低于

6、葉輪轉(zhuǎn)動的頻率，幅值遠大于設(shè)計流量下速度、壓力脈動的幅值。⑵離心泵在一定流量下存在失速現(xiàn)象，但并不意味著失速團一定會反向傳播。本文中，8葉片數(shù)的離心泵內(nèi)出現(xiàn)了失速現(xiàn)象，失速團僅僅在相對穩(wěn)定的位置上繞葉片周期性脫落，沒有反向傳播；但當葉片數(shù)改為7，流量、網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)等不變的情況下，失速團發(fā)生了緩慢的反向傳播。文中結(jié)合旋轉(zhuǎn)失速理論，認為在8葉片時，離心泵內(nèi)4個失速團的發(fā)展程度是一致的，位置也是對稱的，因而缺乏“旋轉(zhuǎn)”起來的動力；而7葉片時，

7、雖然還是4個失速團，但它們的發(fā)展程度不一致，空間位置也不對稱，因而具有“旋轉(zhuǎn)”起來的動力。另外，文中還研究了7葉片時失速團的傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)失速團是跳躍式的傳播，即從當前葉片傳播到第三個葉片，而不是相鄰的葉片。⑶小流量下的水輪機葉片背面發(fā)生流動分離，在所研究的模型下，每個葉片問的流動分離程度幾乎是一樣的，分離團既沒有失速，更沒有旋轉(zhuǎn)。結(jié)合軸流泵和離心泵的結(jié)論以及旋轉(zhuǎn)失速的機理，本文認為水力機械內(nèi)部發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的條件之一是存在不穩(wěn)定的和不對

8、稱的流動分離團。但水輪機是收縮流道，流道內(nèi)是順壓梯度，分離團通常是穩(wěn)定的，因此，水輪機中很難發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。第三，通過對三峽機組異常振動現(xiàn)象細節(jié)以及模型全特性曲線的深入分析，本文指出供貨商提出的負流量說和水錘說不能成立，提出了“水體共振”的觀點。最后，通過對三峽機組異常振動工況動態(tài)特性的模擬，證實了在所研究的工況下，水輪機內(nèi)部確實存在著1．359Hz的頻率，并與實測結(jié)果保持一致。通過動態(tài)計算，還得到以下結(jié)果：①活動導葉表面靠近其開口的

9、下端存在局部高壓，活動導葉開口處沿其高度方向的流動是不均勻的。活動導葉開口的下端存在回流，大部分流量從開口的上半部分流出到轉(zhuǎn)輪。這種流動特征表明，轉(zhuǎn)輪上半部分和下半部分的工作狀態(tài)是不一致的，轉(zhuǎn)輪上半部分是水輪機的制動工況，而下半部分則是反水泵工況。②活動導葉開口附近的區(qū)域存在明顯的1．359Hz的速度和壓力脈動，與異常振動的頻率吻合的非常好。經(jīng)分析，這種壓力脈動發(fā)源于活動導葉開口附近的區(qū)域。為了嚴格證明振動的原因就是水體共振，需要證明兩

10、點：其一，存在著一個頻率與1．359Hz相等的激振力；其二，振動體的固有頻率為1．359Hz。上述1．359Hz的脈動存在證明了第一點，但同時從邏輯上說明第二點也應該是成立的，最有力的證據(jù)是異常振動頻率就是1．359Hz。此外，根據(jù)動態(tài)計算的設(shè)置和上述結(jié)論，也否定了負流量和水錘的說法。③對活動導葉開口附近的單元進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)不論是速度脈動還是壓力脈動，主頻為1．359Hz的單元，在活動導葉中部它們的幅值取得最大值。因此，轉(zhuǎn)輪上半部分