本發(fā)明涉及一種減輕水泵水輪機動靜干涉及廠房振動的方法，屬于水力機械和抽水蓄能技術領域。

背景技術：

現(xiàn)代的大型抽水蓄能電站多采用抽水與發(fā)電同機的可逆式水泵水輪機，其抽水時作為水泵運行，發(fā)電時作為水輪機運行。可逆混流式水泵水輪機與常規(guī)的離心泵不同，其設置有導水機構(gòu)，包括活動導葉和固定導葉。在抽水蓄能電站的運行中，常遇到水泵水輪機旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片和靜止(不旋轉(zhuǎn))的導葉(包括活動導葉及固定導葉)之間因動靜干涉引起的大幅值、高頻率壓力脈動，從而引起水泵水輪機頂蓋、機架和機組其它設備劇烈振動，部分抽水蓄能電站還因此產(chǎn)生非常強烈的廠房振動，噪聲強烈，甚至個別情況下還因為廠房振動造成廠房結(jié)構(gòu)裂紋，嚴重威脅到電站安全及機組穩(wěn)定運行。根據(jù)調(diào)查分析，廠房振動嚴重的抽水蓄能電站絕大多數(shù)是由水力因素引起，其振動主頻率往往和水泵水輪機頂蓋、下機架等振動的主頻率相同，是水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片頻率fr(fr＝zr·fn，其中fn為轉(zhuǎn)速頻率，zr為水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù))的倍頻，以2倍頻和3倍頻居多。

但是，由于目前對動靜干涉的研究還不夠深入，不清楚動靜干涉的機理和該區(qū)域(轉(zhuǎn)輪葉片和導葉間，常稱為“無葉區(qū)”)壓力脈動的傳播方式，對為什么會產(chǎn)生這些葉片頻率倍頻干涉知之甚少，對如何減輕動靜干涉引起的振動則更無有效措施及方法。雖然日本的田中宏先生曾經(jīng)提出過防止動靜干涉的公式(參見式1)，并認為只要不滿足該式，就可以避免動靜干涉發(fā)生，但卻有許多電站遇到過不滿足該式卻發(fā)生動靜干涉的現(xiàn)象。

n·zg±k＝m·zr(1)

式中：zg表示活動導葉數(shù)；zr表示轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)；k表示活動導葉和轉(zhuǎn)輪葉片節(jié)點數(shù)，正整數(shù)，相當于zg和zr的最大公約數(shù)；n表示正整數(shù)系數(shù)；m表示正整數(shù)系數(shù)。

在某些發(fā)生動靜干涉的抽水蓄能電站中，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr＝9，活動導葉數(shù)zg＝20，顯然其節(jié)點數(shù)k＝1，若使式(1)成立，需n＝4、m＝9；而大量的實踐經(jīng)驗證實，多數(shù)的干涉現(xiàn)象發(fā)生在n＝1時，田中宏的文章也認可這一事實。如綜合考慮這兩點，在這些電站條件下，式(1)不成立，不應產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。即使產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，其干涉頻率也應是葉片頻率的9倍。而實際情況是，這些電站多在固定導葉區(qū)發(fā)生2倍葉片頻率的壓力脈動，并引起頂蓋等部位2fr頻率振動，部分電站還產(chǎn)生了該頻率的廠房強烈振動。

因此，有必要研究混流式水泵水輪機動靜干涉的機理及對廠房振動的影響，并在此基礎上提出減輕水泵水輪機動靜干涉及廠房振動的有效措施和設計方法。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種減輕水泵水輪機動靜干涉及廠房振動的方法，該方法是在研究清楚混流式水泵水輪機動靜干涉的機理及對廠房振動的影響的基礎上提出的，能夠有效減輕混流式水泵水輪機的動機干涉及廠房的振動。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：一種減輕水泵水輪機動靜干涉及廠房振動的方法，其特征在于：包括對水泵水輪機所做的以下兩個方面的優(yōu)化：1)優(yōu)化水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr與活動導葉數(shù)zg之間的關系，使活動導葉數(shù)zg不為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr的整數(shù)倍，即：zg/zr≠整數(shù)；2)將活動導葉分布圓直徑d0與轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑d1之比d0/d1提高至1.165以上，即加大活動導葉離轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)的距離。

進一步地，在第1)方面的優(yōu)化中，使zg/zr+0.5接近于整數(shù)。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明是在弄清水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片和活動導葉之間的動靜干涉原理及危害方式的基礎上形成的，能從水泵水輪機設計入手解決問題，解決的是根本問題。2、本發(fā)明提出的減輕水泵水輪機動靜干涉及廠房振動措施是總結(jié)國內(nèi)大量抽水蓄能電站運行經(jīng)驗教訓的基礎上提出的，理論聯(lián)系實際，可操作性強，實際有效。

附圖說明

圖1是模擬的9葉片、26導葉動靜干涉壓力脈動時域曲線及頻譜曲線；其中，圖(a)是壓力脈動時域曲線，縱坐標是混頻幅值a，橫坐標是時間t；圖(b)是采用fft(快速傅里葉變換)對上圖曲線分析獲得的頻譜曲線，縱坐標a是分析的各頻率幅值(分頻)幅值，橫坐標是頻率f；

圖2是模擬的7葉片、20導葉動靜干涉壓力脈動時域曲線及頻譜曲線；其中，圖(a)是壓力脈動時域曲線，縱坐標是混頻幅值a，橫坐標是時間t；圖(b)是采用fft(快速傅里葉變換)對上圖曲線分析獲得的頻譜曲線，縱坐標a是分析的各頻率幅值(分頻)幅值，橫坐標是頻率f；

圖3是模擬的9葉片、20導葉動靜干涉壓力脈動時域曲線及頻譜曲線；其中，圖(a)是壓力脈動時域曲線，縱坐標是混頻幅值a，橫坐標是時間t；圖(b)是采用fft(快速傅里葉變換)對上圖曲線分析獲得的頻譜曲線，縱坐標a是分析的各頻率幅值(分頻)幅值，橫坐標是頻率f；

圖4是模擬的7葉片、18導葉動靜干涉壓力脈動時域曲線及頻譜曲線；其中，圖(a)是壓力脈動時域曲線，縱坐標是混頻幅值a，橫坐標是時間t；圖(b)是采用fft(快速傅里葉變換)對上圖曲線分析獲得的頻譜曲線，縱坐標a是分析的各頻率幅值(分頻)幅值，橫坐標是頻率f；

圖5是模擬的9葉片、22導葉動靜干涉壓力脈動時域曲線及頻譜曲線；其中，圖(a)是壓力脈動時域曲線，縱坐標是混頻幅值a，橫坐標是時間t；圖(b)是采用fft(快速傅里葉變換)對上圖曲線分析獲得的頻譜曲線，縱坐標a是分析的各頻率幅值(分頻)幅值，橫坐標是頻率f。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

本發(fā)明提出了一種減輕水泵水輪機動靜干涉及廠房振動的方法，其包括對水泵水輪機所做的以下幾個方面的優(yōu)化：

1)優(yōu)化水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr與活動導葉數(shù)zg之間的關系，嚴格避免活動導葉數(shù)zg是轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr的整數(shù)倍，即保證zg/zr≠整數(shù)；并盡量使zg/zr遠離整數(shù)，在一個優(yōu)選的實施例中，可以使zg/zr+0.5接近于整數(shù)，或者說使zg/zr接近于1.5、2.5、3.5等。

2)將活動導葉分布圓直徑d0與轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑d1之比(d0/d1)由常規(guī)的1.14提高至1.165以上，也就是加大活動導葉離轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)的距離，從而可增大轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)產(chǎn)生壓力脈動波在傳播到活動導葉過程中的衰減，并進而減輕二者干涉后產(chǎn)生新壓力脈動的幅值。

本發(fā)明所提出的減輕水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片和活動導葉間動靜干涉及因此而產(chǎn)生機組振動和廠房振動危害的方法，是基于對國內(nèi)大量抽水蓄能電站水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片和活動導葉動靜干涉及引起機組振動、廠房振動實際狀況總結(jié)發(fā)現(xiàn)的3個規(guī)律：

(1)水泵水輪機旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片和靜止的活動導葉之間會產(chǎn)生動靜干涉，并產(chǎn)生比無葉區(qū)壓力脈動頻率更高的壓力脈動，其頻率f是葉片頻率fr(fr＝zr·fn，zr是轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，fn是轉(zhuǎn)速頻率，簡稱轉(zhuǎn)頻)的整數(shù)倍(f＝n·fr，n是正整數(shù))，并導致該頻率的機組振動和廠房振動；

正整數(shù)n≈zg/zr；在相似條件下，zg/zr越接近于n，干涉越嚴重，振動也越大；zg/zr離n越遠，或者zg/zr±0.5越接近于n，干涉越輕微，振動也越??；之所以會出現(xiàn)如此局面，主要有兩方面原因：其一是因為zg/zr離n越遠，在一個葉片周期內(nèi)干涉產(chǎn)生的各波形周期越不相等，有長有短，或者說忽快忽慢，相互不同步，減輕了其破壞力；其二是因為zg/zr離n越遠，在一個葉片周期內(nèi)的各波形幅值越不相等，有高有矮，像瘸子走路一樣“一腳深一腳淺”，難以形成合力。

如附圖1所示，其導葉數(shù)zg＝26，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr＝9，zg/zr＝2.889≈3，和圖2～圖5其它參數(shù)相比，最接近整數(shù)值，干涉波形更均勻，分析的主頻f1＝27hz＝3fr(假定轉(zhuǎn)速頻率fn＝1hz，下同)，該頻率分析幅值a1＝0.9658(給定的干涉壓力脈動幅值a＝1.0，下同)，而分析的次主頻(f2＝18hz)幅值a2＝0.1401，說明該組合很容易產(chǎn)生3倍葉片頻率的干涉，不宜采用。

如附圖2所示，zg＝20，zr＝7，zg/zr＝2.857≈3，和圖1組合相似，非常接近整數(shù)值，分析主頻f1＝21hz＝3fr，分析幅值a1＝0.9525，次主頻(f2＝14hz)幅值a2＝0.1799，說明該組合也很容易產(chǎn)生3倍葉片頻率的干涉，不宜采用。

如附圖3所示，zg＝20，zr＝9，zg/zr＝2.222≈2，也非常接近整數(shù)值，分析主頻f1＝18hz＝2fr，分析幅值a1＝0.9317，次主頻(f2＝27hz)幅值a2＝0.258，說明該組合也比較容易產(chǎn)生2倍葉片頻率的干涉，不宜采用。

如附圖4所示，zg＝18，zr＝7，zg/zr＝2.571≈2.5，和圖1～圖3組合差別很大，非常接近兩個相鄰整數(shù)(2和3)的平均值，分析主頻f1＝21hz＝3fr，分析幅值a1＝0.7753，次主頻(f2＝14hz)幅值a2＝0.4818，主頻幅值遠低于前3個附圖的組合，次主頻幅值卻遠大于前3個附圖的組合，說明該組合主頻不突出；和圖1～圖3波形比較，該波形的波距差別很大，波長忽長忽短，會大幅降低其破壞力，推薦采用。

如附圖5所示，zg＝22，zr＝9，zg/zr＝2.444≈2.5，是5個附圖中zg/zr最接近2.5的組合，分析主頻f1＝18hz＝2fr，分析幅值a1＝0.6405，次主頻(f2＝27hz＝3fr)幅值a2＝0.6179，主頻幅值在所有5個附圖的組合中最低，次主頻幅值在所有5個附圖的組合中最高，且兩個幅值已非常接近，說明該組合主頻更不突出；和其它波形相比，該波形的波距長短不一，“步調(diào)”不一致，會大幅降低其破壞力，推薦采用。

(2)在水泵水輪機轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑d1不變的情況下，活動導葉分布圓直徑d0越大，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片離活動導葉越遠，壓力脈動波傳播過程中的衰減越大，二者之間因干涉而產(chǎn)生的壓力脈動幅值也會相應減小，并減輕因此而引起的機組和廠房振動。

本發(fā)明僅以上述實施例進行說明，各部件的結(jié)構(gòu)、設置位置及其連接都是可以有所變化的。在本發(fā)明技術方案的基礎上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進或等同變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。