三峽電站左岸6號(hào)機(jī)組小開(kāi)度工況異常振動(dòng)研究.pdf

1、三峽電站采用混流式機(jī)組，其轉(zhuǎn)輪葉片按“X”形設(shè)計(jì)，即所謂的負(fù)傾角葉片，這種形式的葉片對(duì)水頭和負(fù)荷變化的適應(yīng)范圍廣，而且水輪機(jī)具有較高的平均效率，也能很好的防止葉片進(jìn)水邊的脫流和空化，對(duì)高水頭、小開(kāi)度工況有利。然而，影響混流式機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的因素非常復(fù)雜，某些因素目前還沒(méi)有獲得足夠的認(rèn)識(shí)。此外，三峽機(jī)組是巨型機(jī)組，水體的固有頻率相對(duì)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(hào)ALSTOM機(jī)組在過(guò)速試驗(yàn)的關(guān)機(jī)過(guò)程中，當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉

2、開(kāi)度約為4％、轉(zhuǎn)速約為73rpm時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)了強(qiáng)烈的異常振動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)分析，振動(dòng)的頻率是1．359Hz，其中渦殼內(nèi)部水壓脈動(dòng)最大峰峰值達(dá)500kPa，超過(guò)了試驗(yàn)時(shí)總水頭(約68m)的一半。其他結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)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(gè)值得注意的現(xiàn)象是，活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口之前的水體水壓脈動(dòng)劇烈，而活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口之后的水體沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的水壓脈動(dòng)。針對(duì)三峽機(jī)組的異常振動(dòng)現(xiàn)象，供貨商ALSTOM公司采用Gibson法

3、估計(jì)出關(guān)機(jī)過(guò)程中流量的時(shí)間歷程，并認(rèn)為是負(fù)流量導(dǎo)致了異常振動(dòng)；哈爾濱大電機(jī)研究所通過(guò)模型試驗(yàn)，得到了模型的全特性曲線，他們認(rèn)為引起振動(dòng)的原因，是水輪機(jī)從反水泵工況快速進(jìn)入零流量，從而發(fā)生水錘現(xiàn)象所致。三峽機(jī)組在機(jī)小開(kāi)度下的異常振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)機(jī)組安全構(gòu)成了極大的威脅，也是迄今為止尚未報(bào)道過(guò)的現(xiàn)象。目前的水輪機(jī)穩(wěn)定性理論尚無(wú)法作出解釋。雖然供應(yīng)商給出了一個(gè)解釋?zhuān)沁@個(gè)解釋的根據(jù)并不充分，也不能為業(yè)界一致認(rèn)可。
　　 本文對(duì)三峽機(jī)組小

4、開(kāi)度異常振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究，力圖揭示發(fā)生這個(gè)現(xiàn)象的原因。鑒于目前的模型試驗(yàn)技術(shù)還不能模擬真機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件也不允許對(duì)真機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，主要采用動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的方法研究水輪機(jī)內(nèi)部水壓脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)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(shí)間步長(zhǎng)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(jī)械動(dòng)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(wèn)題進(jìn)行了驗(yàn)證。本文編寫(xiě)了C++程序，將耗時(shí)長(zhǎng)、占用磁盤(pán)空間大的過(guò)程分解為若干子過(guò)程，并使得這些子過(guò)程能夠自動(dòng)的、穩(wěn)健的執(zhí)行。其次，作為上述解析策略的算例并擴(kuò)展水力機(jī)械漩渦流穩(wěn)定性理論的內(nèi)容，同時(shí)考慮到異常振動(dòng)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(dòng)，討論了混流式水輪機(jī)在小流量下的流動(dòng)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(dāng)旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生時(shí)，速度、壓力脈動(dòng)的主頻低于

6、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率，幅值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)流量下速度、壓力脈動(dòng)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(tuán)一定會(huì)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(tuán)僅僅在相對(duì)穩(wěn)定的位置上繞葉片周期性脫落，沒(méi)有反向傳播；但當(dāng)葉片數(shù)改為7，流量、網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等不變的情況下，失速團(tuán)發(fā)生了緩慢的反向傳播。文中結(jié)合旋轉(zhuǎn)失速理論，認(rèn)為在8葉片時(shí)，離心泵內(nèi)4個(gè)失速團(tuán)的發(fā)展程度是一致的，位置也是對(duì)稱(chēng)的，因而缺乏“旋轉(zhuǎn)”起來(lái)的動(dòng)力；而7葉片時(shí)，

7、雖然還是4個(gè)失速團(tuán)，但它們的發(fā)展程度不一致，空間位置也不對(duì)稱(chēng)，因而具有“旋轉(zhuǎn)”起來(lái)的動(dòng)力。另外，文中還研究了7葉片時(shí)失速團(tuán)的傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)失速團(tuán)是跳躍式的傳播，即從當(dāng)前葉片傳播到第三個(gè)葉片，而不是相鄰的葉片。⑶小流量下的水輪機(jī)葉片背面發(fā)生流動(dòng)分離，在所研究的模型下，每個(gè)葉片問(wèn)的流動(dòng)分離程度幾乎是一樣的，分離團(tuán)既沒(méi)有失速，更沒(méi)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(jī)理，本文認(rèn)為水力機(jī)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(duì)

8、稱(chēng)的流動(dòng)分離團(tuán)。但水輪機(jī)是收縮流道，流道內(nèi)是順壓梯度，分離團(tuán)通常是穩(wěn)定的，因此，水輪機(jī)中很難發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。第三，通過(guò)對(duì)三峽機(jī)組異常振動(dòng)現(xiàn)象細(xì)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(fù)流量說(shuō)和水錘說(shuō)不能成立，提出了“水體共振”的觀點(diǎn)。最后，通過(guò)對(duì)三峽機(jī)組異常振動(dòng)工況動(dòng)態(tài)特性的模擬，證實(shí)了在所研究的工況下，水輪機(jī)內(nèi)部確實(shí)存在著1．359Hz的頻率，并與實(shí)測(cè)結(jié)果保持一致。通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算，還得到以下結(jié)果：①活動(dòng)導(dǎo)葉表面靠近其開(kāi)口的

9、下端存在局部高壓，活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口處沿其高度方向的流動(dòng)是不均勻的?；顒?dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口的下端存在回流，大部分流量從開(kāi)口的上半部分流出到轉(zhuǎn)輪。這種流動(dòng)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(jī)的制動(dòng)工況，而下半部分則是反水泵工況。②活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口附近的區(qū)域存在明顯的1．359Hz的速度和壓力脈動(dòng)，與異常振動(dòng)的頻率吻合的非常好。經(jīng)分析，這種壓力脈動(dòng)發(fā)源于活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口附近的區(qū)域。為了嚴(yán)格證明振動(dòng)的原因就是水體共振，需要證明兩

10、點(diǎn)：其一，存在著一個(gè)頻率與1．359Hz相等的激振力；其二，振動(dòng)體的固有頻率為1．359Hz。上述1．359Hz的脈動(dòng)存在證明了第一點(diǎn)，但同時(shí)從邏輯上說(shuō)明第二點(diǎn)也應(yīng)該是成立的，最有力的證據(jù)是異常振動(dòng)頻率就是1．359Hz。此外，根據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算的設(shè)置和上述結(jié)論，也否定了負(fù)流量和水錘的說(shuō)法。③對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口附近的單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不論是速度脈動(dòng)還是壓力脈動(dòng)，主頻為1．359Hz的單元，在活動(dòng)導(dǎo)葉中部它們的幅值取得最大值。因此，轉(zhuǎn)輪上半部分