一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法

摘要

本发明涉及一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法，其特征在于：包括对水泵水轮机所做的以下两个方面的优化：1)优化水泵水轮机转轮叶片数Zr与活动导叶数Zg之间的关系，使活动导叶数Zg不为转轮叶片数Zr的整数倍，即：Zg/Zr≠整数，并尽可能使活动导叶数与转轮叶片数的比接近1.5、2.5、3.5等值；2)将活动导叶分布圆直径D0与转轮高压侧直径D1之比D0/D1提高至1.165以上，即加大活动导叶离转轮高压侧的距离。本发明是在弄清水泵水轮机转轮叶片和活动导叶之间的动静干涉原理及危害方式的基础上形成的，能从水泵水轮机设计入手解决问题，解决的是根本问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法，属于水力机械和抽水蓄能技术领域。

背景技术

现代的大型抽水蓄能电站多采用抽水与发电同机的可逆式水泵水轮机，其抽水时作为水泵运行，发电时作为水轮机运行。可逆混流式水泵水轮机与常规的离心泵不同，其设置有导水机构，包括活动导叶和固定导叶。在抽水蓄能电站的运行中，常遇到水泵水轮机旋转的转轮叶片和静止(不旋转)的导叶(包括活动导叶及固定导叶)之间因动静干涉引起的大幅值、高频率压力脉动，从而引起水泵水轮机顶盖、机架和机组其它设备剧烈振动，部分抽水蓄能电站还因此产生非常强烈的厂房振动，噪声强烈，甚至个别情况下还因为厂房振动造成厂房结构裂纹，严重威胁到电站安全及机组稳定运行。根据调查分析，厂房振动严重的抽水蓄能电站绝大多数是由水力因素引起，其振动主频率往往和水泵水轮机顶盖、下机架等振动的主频率相同，是水泵水轮机转轮叶片频率f_r(f_r＝Z_r·f_n，其中f_n为转速频率，Z_r为水泵水轮机转轮叶片数)的倍频，以2倍频和3倍频居多。

但是，由于目前对动静干涉的研究还不够深入，不清楚动静干涉的机理和该区域(转轮叶片和导叶间，常称为“无叶区”)压力脉动的传播方式，对为什么会产生这些叶片频率倍频干涉知之甚少，对如何减轻动静干涉引起的振动则更无有效措施及方法。虽然日本的田中宏先生曾经提出过防止动静干涉的公式(参见式1)，并认为只要不满足该式，就可以避免动静干涉发生，但却有许多电站遇到过不满足该式却发生动静干涉的现象。

n·Z_g±k＝m·Z_r>

式中：Z_g表示活动导叶数；Z_r表示转轮叶片数；k表示活动导叶和转轮叶片节点数，正整数，相当于Z_g和Z_r的最大公约数；n表示正整数系数；m表示正整数系数。

在某些发生动静干涉的抽水蓄能电站中，转轮叶片数Z_r＝9，活动导叶数Z_g＝20，显然其节点数k＝1，若使式(1)成立，需n＝4、m＝9；而大量的实践经验证实，多数的干涉现象发生在n＝1时，田中宏的文章也认可这一事实。如综合考虑这两点，在这些电站条件下，式(1)不成立，不应产生干涉现象。即使产生干涉现象，其干涉频率也应是叶片频率的9倍。而实际情况是，这些电站多在固定导叶区发生2倍叶片频率的压力脉动，并引起顶盖等部位2f_r频率振动，部分电站还产生了该频率的厂房强烈振动。

因此，有必要研究混流式水泵水轮机动静干涉的机理及对厂房振动的影响，并在此基础上提出减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的有效措施和设计方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法，该方法是在研究清楚混流式水泵水轮机动静干涉的机理及对厂房振动的影响的基础上提出的，能够有效减轻混流式水泵水轮机的动机干涉及厂房的振动。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法，其特征在于：包括对水泵水轮机所做的以下两个方面的优化：1)优化水泵水轮机转轮叶片数Z_r与活动导叶数Z_g之间的关系，使活动导叶数Z_g不为转轮叶片数Z_r的整数倍，即：Z_g/Z_r≠整数；2)将活动导叶分布圆直径D₀与转轮高压侧直径D₁之比D₀/D₁提高至1.165以上，即加大活动导叶离转轮高压侧的距离。

进一步地，在第1)方面的优化中，使Z_g/Z_r+0.5接近于整数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明是在弄清水泵水轮机转轮叶片和活动导叶之间的动静干涉原理及危害方式的基础上形成的，能从水泵水轮机设计入手解决问题，解决的是根本问题。2、本发明提出的减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动措施是总结国内大量抽水蓄能电站运行经验教训的基础上提出的，理论联系实际，可操作性强，实际有效。

附图说明

图1是模拟的9叶片、26导叶动静干涉压力脉动时域曲线及频谱曲线；其中，图(a)是压力脉动时域曲线，纵坐标是混频幅值A，横坐标是时间t；图(b)是采用FFT(快速傅里叶变换)对上图曲线分析获得的频谱曲线，纵坐标a是分析的各频率幅值(分频)幅值，横坐标是频率f；

图2是模拟的7叶片、20导叶动静干涉压力脉动时域曲线及频谱曲线；其中，图(a)是压力脉动时域曲线，纵坐标是混频幅值A，横坐标是时间t；图(b)是采用FFT(快速傅里叶变换)对上图曲线分析获得的频谱曲线，纵坐标a是分析的各频率幅值(分频)幅值，横坐标是频率f；

图3是模拟的9叶片、20导叶动静干涉压力脉动时域曲线及频谱曲线；其中，图(a)是压力脉动时域曲线，纵坐标是混频幅值A，横坐标是时间t；图(b)是采用FFT(快速傅里叶变换)对上图曲线分析获得的频谱曲线，纵坐标a是分析的各频率幅值(分频)幅值，横坐标是频率f；

图4是模拟的7叶片、18导叶动静干涉压力脉动时域曲线及频谱曲线；其中，图(a)是压力脉动时域曲线，纵坐标是混频幅值A，横坐标是时间t；图(b)是采用FFT(快速傅里叶变换)对上图曲线分析获得的频谱曲线，纵坐标a是分析的各频率幅值(分频)幅值，横坐标是频率f；

图5是模拟的9叶片、22导叶动静干涉压力脉动时域曲线及频谱曲线；其中，图(a)是压力脉动时域曲线，纵坐标是混频幅值A，横坐标是时间t；图(b)是采用FFT(快速傅里叶变换)对上图曲线分析获得的频谱曲线，纵坐标a是分析的各频率幅值(分频)幅值，横坐标是频率f。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种减轻水泵水轮机动静干涉及厂房振动的方法，其包括对水泵水轮机所做的以下几个方面的优化：

1)优化水泵水轮机转轮叶片数Z_r与活动导叶数Z_g之间的关系，严格避免活动导叶数Z_g是转轮叶片数Z_r的整数倍，即保证Z_g/Z_r≠整数；并尽量使Z_g/Z_r远离整数，在一个优选的实施例中，可以使Z_g/Z_r+0.5接近于整数，或者说使Z_g/Z_r接近于1.5、2.5、3.5等。

2)将活动导叶分布圆直径D₀与转轮高压侧直径D₁之比(D₀/D₁)由常规的1.14提高至1.165以上，也就是加大活动导叶离转轮高压侧的距离，从而可增大转轮高压侧产生压力脉动波在传播到活动导叶过程中的衰减，并进而减轻二者干涉后产生新压力脉动的幅值。

本发明所提出的减轻水泵水轮机转轮叶片和活动导叶间动静干涉及因此而产生机组振动和厂房振动危害的方法，是基于对国内大量抽水蓄能电站水泵水轮机转轮叶片和活动导叶动静干涉及引起机组振动、厂房振动实际状况总结发现的3个规律：

(1)水泵水轮机旋转的转轮叶片和静止的活动导叶之间会产生动静干涉，并产生比无叶区压力脉动频率更高的压力脉动，其频率f是叶片频率f_r(f_r＝Z_r·f_n，Z_r是转轮叶片数，f_n是转速频率，简称转频)的整数倍(f＝N·f_r，N是正整数)，并导致该频率的机组振动和厂房振动；

正整数N≈Z_g/Z_r；在相似条件下，Z_g/Z_r越接近于N，干涉越严重，振动也越大；Z_g/Z_r离N越远，或者Z_g/Z_r±0.5越接近于N，干涉越轻微，振动也越小；之所以会出现如此局面，主要有两方面原因：其一是因为Z_g/Z_r离N越远，在一个叶片周期内干涉产生的各波形周期越不相等，有长有短，或者说忽快忽慢，相互不同步，减轻了其破坏力；其二是因为Z_g/Z_r离N越远，在一个叶片周期内的各波形幅值越不相等，有高有矮，像瘸子走路一样“一脚深一脚浅”，难以形成合力。

如附图1所示，其导叶数Z_g＝26，转轮叶片数Z_r＝9，Z_g/Z_r＝2.889≈3，和图2～图5其它参数相比，最接近整数值，干涉波形更均匀，分析的主频f₁＝27Hz＝3f_r(假定转速频率f_n＝1Hz，下同)，该频率分析幅值a₁＝0.9658(给定的干涉压力脉动幅值A＝1.0，下同)，而分析的次主频(f₂＝18Hz)幅值a₂＝0.1401，说明该组合很容易产生3倍叶片频率的干涉，不宜采用。

如附图2所示，Z_g＝20，Z_r＝7，Z_g/Z_r＝2.857≈3，和图1组合相似，非常接近整数值，分析主频f₁＝21Hz＝3f_r，分析幅值a₁＝0.9525，次主频(f₂＝14Hz)幅值a₂＝0.1799，说明该组合也很容易产生3倍叶片频率的干涉，不宜采用。

如附图3所示，Z_g＝20，Z_r＝9，Z_g/Z_r＝2.222≈2，也非常接近整数值，分析主频f₁＝18Hz＝2f_r，分析幅值a₁＝0.9317，次主频(f₂＝27Hz)幅值a₂＝0.258，说明该组合也比较容易产生2倍叶片频率的干涉，不宜采用。

如附图4所示，Z_g＝18，Z_r＝7，Z_g/Z_r＝2.571≈2.5，和图1～图3组合差别很大，非常接近两个相邻整数(2和3)的平均值，分析主频f₁＝21Hz＝3f_r，分析幅值a₁＝0.7753，次主频(f₂＝14Hz)幅值a₂＝0.4818，主频幅值远低于前3个附图的组合，次主频幅值却远大于前3个附图的组合，说明该组合主频不突出；和图1～图3波形比较，该波形的波距差别很大，波长忽长忽短，会大幅降低其破坏力，推荐采用。

如附图5所示，Z_g＝22，Z_r＝9，Z_g/Z_r＝2.444≈2.5，是5个附图中Z_g/Z_r最接近2.5的组合，分析主频f₁＝18Hz＝2f_r，分析幅值a₁＝0.6405，次主频(f₂＝27Hz＝3f_r)幅值a₂＝0.6179，主频幅值在所有5个附图的组合中最低，次主频幅值在所有5个附图的组合中最高，且两个幅值已非常接近，说明该组合主频更不突出；和其它波形相比，该波形的波距长短不一，“步调”不一致，会大幅降低其破坏力，推荐采用。

(2)在水泵水轮机转轮高压侧直径D₁不变的情况下，活动导叶分布圆直径D₀越大，旋转的转轮叶片离活动导叶越远，压力脉动波传播过程中的衰减越大，二者之间因干涉而产生的压力脉动幅值也会相应减小，并减轻因此而引起的机组和厂房振动。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。