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      一種改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)處消除強(qiáng)振的方法

      文檔序號(hào):5246609閱讀:417來源:國知局

      專利名稱::一種改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)處消除強(qiáng)振的方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      :本發(fā)明涉及混流式水輪機(jī)止漏環(huán)結(jié)構(gòu),特別是按本方法改造后,混流式水輪機(jī)由尾水管脈動(dòng)壓力引起的強(qiáng)振基本消除,屬于水輪發(fā)電機(jī)組主要部件轉(zhuǎn)輪領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。二
      背景技術(shù)
      :近20幾年,我國新投產(chǎn)的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組,普遍存在尾水管壓力脈動(dòng)大,造成水輪機(jī)葉片裂紋,機(jī)組存在強(qiáng)振區(qū)必須避開運(yùn)行問題。例如劉家峽機(jī)組在2030%額定出力,尾水管脈動(dòng)壓力達(dá)20%(Ai^)左右,脈動(dòng)壓力頻率為1.2倍額定轉(zhuǎn)頻。機(jī)組功率50%左右尾水管渦帶脈動(dòng)壓力10%,頻率為0.20.25倍轉(zhuǎn)頻,這兩個(gè)強(qiáng)振區(qū)范圍占額度功率60%以上,必須避開運(yùn)行。劉家峽機(jī)組強(qiáng)振特點(diǎn)帶有普遍性,尤其是渦帶脈動(dòng)壓力區(qū),更是混流式水輪機(jī)都存在的必然規(guī)律。因此,必須尋找一種降低混流式水輪機(jī)尾水管脈動(dòng)壓力行之有效方法。通過大量試驗(yàn)證明,對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)改造是一種明智選擇。中外專利文獻(xiàn)表明,該項(xiàng)改造技術(shù)還沒有先例,必須不失時(shí)機(jī)地將這一技術(shù)開發(fā)出來。三、
      發(fā)明內(nèi)容-1、發(fā)明目的本發(fā)明提供一種混流式水輪機(jī)止漏環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),其目的在于解決混流式水輪發(fā)電機(jī)組存在強(qiáng)振的問題,拓寬水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍。2、技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)處消除強(qiáng)振的方法,其特征在于該方法是在混流式水輪發(fā)電機(jī)葉片的止漏環(huán)處的進(jìn)口間隙要大于或等于止漏環(huán)處的出口間隙。所述的止漏環(huán)設(shè)置在出口。在混流式水輪發(fā)電機(jī)葉片的止漏環(huán)處設(shè)有兩道進(jìn)口間隙。電站下游水位要低于止漏環(huán)高程。3、優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明通過改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)結(jié)構(gòu),能夠基本消除由混流式水輪機(jī)尾水管脈動(dòng)壓力引起的強(qiáng)振,杜絕了因水管脈動(dòng)壓力引起的水輪機(jī)葉片裂紋,完全解決了這方面的機(jī)組維修,同時(shí)也解決了強(qiáng)振區(qū)必須避開運(yùn)行的問題,拓寬水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍。四圖1為傳統(tǒng)止漏環(huán)的主要結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明止漏環(huán)的主要結(jié)構(gòu)示意圖3為放大因數(shù)與水導(dǎo)擺度關(guān)系圖(bi》b2);圖4為放大因數(shù)與水導(dǎo)擺度關(guān)系圖(bXb2);圖5為本發(fā)明從物理概念上的理解圖6為圖1和圖2在一個(gè)混流式水輪機(jī)上的體現(xiàn)圖。五具體實(shí)施例方式混流式水輪機(jī)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的止漏環(huán)(見圖1所示)(b,〈b2),這種止漏環(huán)結(jié)構(gòu)普遍存在自激脈動(dòng)壓力,是造成水輪機(jī)強(qiáng)振的主要原因。采用兩道止漏環(huán)見(圖2)(b1=b2)是一種"零反饋結(jié)構(gòu)",是對(duì)機(jī)組穩(wěn)定和效率都有好處的好結(jié)構(gòu)。若將止漏環(huán)設(shè)在出口(b,>b2)也可以減少脈動(dòng)壓力,但間隙值太小易發(fā)生碰磨,建議設(shè)計(jì)采用(h》b2)原則適當(dāng)選擇間隙。另外電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測也證明,當(dāng)電站下游水位低于止漏環(huán)高程時(shí),不論何種結(jié)構(gòu)止漏環(huán),都不會(huì)發(fā)生自激脈動(dòng)壓力,這是機(jī)組發(fā)生強(qiáng)振的外因,因此在設(shè)計(jì)水輪機(jī)安裝高程時(shí)盡量高一些,這對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和檢修方便都有好處。我們從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),尾水管脈動(dòng)壓力的頻率一般都是和水輪機(jī)擺度(即轉(zhuǎn)輪橫向位移)相同??梢娢菜苊}動(dòng)壓力與轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)空間壓力有關(guān),這也在我們實(shí)測中得到證實(shí)。所以本發(fā)明人認(rèn)為原形水輪機(jī)尾水管壓力過高,就是由于轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)擺度"自激振動(dòng)",放大了水輪機(jī)原有的初始脈動(dòng)壓力造成的。所謂"自激振動(dòng)"就是在一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)內(nèi),振動(dòng)的外力和振動(dòng)的幅值有函數(shù)關(guān)系,且是正反饋。即在某工況運(yùn)行時(shí),初始的外力引起一定的振幅(擺度),這個(gè)振幅又反饋一個(gè)外力,增大的外力又使振幅增大、、、、,這種正反饋惡性循環(huán),會(huì)使振動(dòng)的外力被放大數(shù)倍甚至幾十倍,因此機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)振。止漏環(huán)空間為什么會(huì)發(fā)生自激脈動(dòng)壓力,這與止漏環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān),止漏環(huán)空間是一個(gè)漏水過流空間,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l,運(yùn)行中由于轉(zhuǎn)輪的擺度,引起止漏環(huán)間隙周期性變化,造成流體的動(dòng)量變化,從而自激該空間流體壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)的幅值與擺度成正比,其頻率與擺度相同。我們根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),理論推求,止漏環(huán)空間壓力脈動(dòng)公式如下'v「62+Ax62+Ax2&+Ax&+Ax式中Pa……止漏環(huán)進(jìn)口處比能,P2……止漏環(huán)出口處比能,b,……止漏環(huán)進(jìn)口間隙,b2……止漏環(huán)出口間隙,Ax……止漏環(huán)處擺度(近似水導(dǎo)擺度);如圖l下止漏環(huán)出口間隙,就是下環(huán)與基礎(chǔ)環(huán)間隙,該間隙與擺度無關(guān),所以公式中b2無Ax改為《=2"—A)A+Ax&+Ax'(6)公式中(凡-p2)與水頭和導(dǎo)葉開度有關(guān),所以當(dāng)機(jī)組水頭越高,脈動(dòng)壓力越大。大括號(hào)內(nèi)數(shù)值代表放大因數(shù),傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)止漏環(huán)間隙多為b2>b,,分子式6^~大于1,其平方必大于前項(xiàng)。大括號(hào)內(nèi)值為負(fù)值,說明該空間壓力為動(dòng)夂+Ax力真空脈動(dòng),有的制造廠家為了減少漏水提高效率,將b,間隙盡量縮小,從公式中可看出當(dāng)間隙越小,大括號(hào)內(nèi)負(fù)值越大,即流道空間壓力越低,當(dāng)壓力低于汽化壓力時(shí),就要發(fā)生空化,結(jié)果可能引起空蝕,并處使脈動(dòng)壓力進(jìn)-一步增大,我們將不同的擺度(Ax)帶入公式中,可求出放大因數(shù)隨Ax變化規(guī)律,如圖3所示。圖中(h^b2);放大因數(shù)l:可逆機(jī)組l,b產(chǎn)6b2=3mm;放大因數(shù)2:bt=8mm;b2=3腿;放大因數(shù)3:b,=6mm;b2=2腿;放大因數(shù)4:2號(hào)機(jī)b,=b2=3mm。而圖4(b,〈b2):放大因數(shù)5:l號(hào)機(jī)上止漏環(huán),b產(chǎn)1.2iran;b2=2.5mm;放大因數(shù)6:2號(hào)機(jī)組,b嚴(yán)6畫;b2=25mm;放大因數(shù)7:3號(hào)機(jī)組,bp4.5腿;b2=25mm;放大因數(shù)8:4號(hào)機(jī)組,b,=3■;b2=25mm;放大因數(shù)9:5號(hào)機(jī)組止漏環(huán),b產(chǎn)2mm;b2=25腿。從圖3、4中可看出b,越小放大因素斜率越大,即相同的擺度變化,弓|起的脈動(dòng)壓力越大。有的機(jī)組由于止漏環(huán)間隙b,小,或因水導(dǎo)擺度大,就會(huì)引起較大的自激脈動(dòng)壓力。從上述公式中可以看出,當(dāng)止漏環(huán)間隙b2<bi時(shí),分子式^t^小于1,《+Ax其平方值必小于該項(xiàng),大括號(hào)內(nèi)值為正值,且隨擺度變化斜率小。實(shí)施列一混流式可逆抽水蓄能機(jī)組,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)都是把止漏環(huán)設(shè)在下環(huán)末端,所以他的脈動(dòng)壓力都比較低。運(yùn)行實(shí)踐中可逆機(jī)組很少發(fā)生葉片裂紋。我們?cè)诎咨诫娬?50麗抽水蓄能機(jī)組實(shí)測脈動(dòng)壓力充分證明這點(diǎn)。該機(jī)b產(chǎn)6mm,b2=3mm,實(shí)測脈動(dòng)壓力見附表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>附表l:白山7號(hào)抽水蓄能機(jī)組尾水管壓力脈動(dòng)實(shí)測值(電站水頭110.3m)眾所周知,止漏環(huán)間隙大,會(huì)因漏水大而降低水輪機(jī)效率,間隙小又會(huì)引起較大的自激振動(dòng),如何選擇一種止漏環(huán)結(jié)構(gòu),較好的解決這一矛盾問題,從上述理論公式可以看出,當(dāng)取t)2二th時(shí)分子式^^1,其平方也等于l,大6,+A括號(hào)內(nèi)值為零,說明轉(zhuǎn)輪擺度&不影響脈動(dòng)壓力,即是"零反饋"結(jié)構(gòu)。間隙b2和b,選擇兩個(gè)相等較小間隙值,又可以減少漏水,提高效率。實(shí)施例二由瑞士造的兩臺(tái)轉(zhuǎn)輪是在1954-1955年投入運(yùn)行的,這兩臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行后,由于水輪機(jī)自激脈動(dòng)壓力大,運(yùn)行不穩(wěn)定,運(yùn)行期只有1~2年必須吊出機(jī)坑大修,水導(dǎo)軸領(lǐng)經(jīng)常磨偏,兩臺(tái)機(jī)都返廠23次處理。經(jīng)過3040年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),我們終于找到病根,決定把下止漏環(huán)的下梳齒割掉,取b2-b,時(shí),這才使兩臺(tái)機(jī)問題徹底解決。圖中標(biāo)注l為中部止漏環(huán)(本圖設(shè)有兩道止漏環(huán)),2為轉(zhuǎn)輪葉片,3為轉(zhuǎn)輪,4為下部止漏環(huán),5為下梳齒?,F(xiàn)在本發(fā)明從物理概念上解釋上述止漏環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)自激脈動(dòng)壓力的不同結(jié)果,如圖5:設(shè)水流在管路流動(dòng),為理想流體無損耗,其能量e-z+Z+^為定值,當(dāng)zr化保持不變,而縮小管徑",使v增加,則^值隨之減小。當(dāng)J縮小到一定時(shí),v增加到足夠大,便出現(xiàn)pO的情況,此時(shí)如果管道下面接一玻璃管并將它插入水杯中,則水杯中的水沿玻璃管升高,此高度即為該斷面的真空值。當(dāng)該斷面壓強(qiáng)降到汽化壓強(qiáng)A時(shí)就要發(fā)生空化。水輪機(jī)止漏環(huán)流道如同上圖管道,縮小直徑段就如同止漏環(huán)間隙,當(dāng)止漏環(huán)設(shè)在進(jìn)口時(shí)(^<b2)空間2就相當(dāng)于止漏環(huán)間隙,轉(zhuǎn)輪擺度就相當(dāng)于管道直徑變化,它引起的脈動(dòng)壓力,就像圖中管道2中《=/^-A,《=/72-/73......。如果止漏環(huán)設(shè)在出口(b,bO圖中管道1的空間就如同止漏環(huán)空間,管道直徑引起的該空間壓力變化很不明顯,如止漏環(huán)設(shè)兩道(bi二b2),其斷面變化是同步(擺度),則空間2的壓力不變。圖6為圖1和圖2在一個(gè)混流式水輪機(jī)上的體現(xiàn)圖,圖中的a為圖1所在的位置,圖中的b為圖2所在的位置。如前所述,水輪機(jī)脈動(dòng)壓力的問題,開始人們并不認(rèn)識(shí),所以豐滿的2、6號(hào)機(jī)組5080年代仍保持原瑞士廠家設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),可是當(dāng)初并不知道脈動(dòng)壓力大是什么原因,后來我們根據(jù)實(shí)測脈動(dòng)壓力規(guī)律,推求出理論公式才知道割掉下疏齒止漏環(huán)能降低脈動(dòng)壓力,實(shí)施后果然取得滿意結(jié)果。并對(duì)水輪機(jī)自激振動(dòng)有了較深的認(rèn)識(shí)。通過運(yùn)行實(shí)踐證明,把止漏環(huán)改放到轉(zhuǎn)輪下環(huán)末端這種可逆式抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電運(yùn)行時(shí),尾水管脈動(dòng)壓力明顯比常規(guī)水輪機(jī)低,但由于無理論根據(jù),人們尚無一致的認(rèn)識(shí),在三峽機(jī)組投標(biāo)時(shí)有一瑞典專家建議把止漏環(huán)放在末端出口,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,也因無理論根據(jù)沒能采納,結(jié)果三峽已投運(yùn)的26臺(tái)了00MW仍采用傳統(tǒng)水輪機(jī)結(jié)構(gòu),運(yùn)行后因脈動(dòng)壓力大必須避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行,機(jī)組只能在額定功率6070%以上范圍運(yùn)行。我們根據(jù)自己推求的理論公式(6)計(jì)算白山可逆機(jī)組脈動(dòng)壓力,并與實(shí)測結(jié)果完全相符,為此我們向國內(nèi)制造廠建議對(duì)新制造的水輪機(jī)止漏環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn),據(jù)說我國正在建設(shè)的西河渡電站800MW水輪機(jī)在投標(biāo)中廠家擬將止漏環(huán)該設(shè)在末端出口。權(quán)利要求1、一種改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)處消除強(qiáng)振的方法,其特征在于該方法是在混流式水輪發(fā)電機(jī)葉片的止漏環(huán)處的進(jìn)口間隙(b1)要大于或等于止漏環(huán)處的出口間隙(b2)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)處消除強(qiáng)振的方法,其特征在于止漏環(huán)設(shè)置在出口。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)處消除強(qiáng)振的方法,其特征在于在混流式水輪發(fā)電機(jī)葉片的止漏環(huán)處設(shè)有兩道進(jìn)口間隙(b,)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)處消除強(qiáng)振的方法,其特征在于電站下游水位要低于止漏環(huán)高程。全文摘要本發(fā)明涉及混流式水輪機(jī)止漏環(huán)結(jié)構(gòu),特別是按本方法改造后,混流式水輪機(jī)由尾水管脈動(dòng)壓力引起的強(qiáng)振基本消除,屬于水輪發(fā)電機(jī)組主要部件轉(zhuǎn)輪領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。其特征在于該方法是在混流式水輪發(fā)電機(jī)葉片的止漏環(huán)處的進(jìn)口間隙要大于或等于止漏環(huán)處的出口間隙。所述的止漏環(huán)設(shè)置在出口。在混流式水輪發(fā)電機(jī)葉片的止漏環(huán)處設(shè)有兩道進(jìn)口間隙。本發(fā)明通過改造混流式水輪機(jī)止漏環(huán)結(jié)構(gòu),能夠基本消除由混流式水輪機(jī)尾水管脈動(dòng)壓力引起的強(qiáng)振,杜絕了因水管脈動(dòng)壓力引起的水輪機(jī)葉片裂紋,完全解決了這方面的機(jī)組維修,同時(shí)也解決了強(qiáng)振區(qū)必須避開運(yùn)行的問題,拓寬水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍。文檔編號(hào)F03B11/04GK101440771SQ20081022928公開日2009年5月27日申請(qǐng)日期2008年12月4日優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日發(fā)明者劉春林,張雪源,徐珍懋,方仁治,凱陳申請(qǐng)人:東北電力科學(xué)研究院有限公司
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