专利名称：：一种改造混流式水轮机止漏环处消除强振的方法
技术领域：
：本发明涉及混流式水轮机止漏环结构，特别是按本方法改造后，混流式水轮机由尾水管脉动压力引起的强振基本消除，属于水轮发电机组主要部件转轮领域的结构改进。二
背景技术：
：近20几年，我国新投产的大型混流式水轮发电机组，普遍存在尾水管压力脉动大，造成水轮机叶片裂纹，机组存在强振区必须避开运行问题。例如刘家峡机组在2030%额定出力，尾水管脉动压力达20%(Ai^)左右，脉动压力频率为1.2倍额定转频。机组功率50%左右尾水管涡带脉动压力10%，频率为0.20.25倍转频，这两个强振区范围占额度功率60%以上，必须避开运行。刘家峡机组强振特点带有普遍性，尤其是涡带脉动压力区，更是混流式水轮机都存在的必然规律。因此，必须寻找一种降低混流式水轮机尾水管脉动压力行之有效方法。通过大量试验证明，对水轮机转轮止漏环改造是一种明智选择。中外专利文献表明，该项改造技术还没有先例，必须不失时机地将这一技术开发出来。三、
发明内容-1、发明目的本发明提供一种混流式水轮机止漏环结构的改进，其目的在于解决混流式水轮发电机组存在强振的问题，拓宽水轮发电机组稳定运行范围。2、技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的一种改造混流式水轮机止漏环处消除强振的方法，其特征在于该方法是在混流式水轮发电机叶片的止漏环处的进口间隙要大于或等于止漏环处的出口间隙。所述的止漏环设置在出口。在混流式水轮发电机叶片的止漏环处设有两道进口间隙。电站下游水位要低于止漏环高程。3、优点及效果本发明通过改造混流式水轮机止漏环结构，能够基本消除由混流式水轮机尾水管脉动压力引起的强振，杜绝了因水管脉动压力引起的水轮机叶片裂纹，完全解决了这方面的机组维修，同时也解决了强振区必须避开运行的问题，拓宽水轮发电机组稳定运行范围。四图1为传统止漏环的主要结构示意图2为本发明止漏环的主要结构示意图3为放大因数与水导摆度关系图(bi》b2);图4为放大因数与水导摆度关系图(bXb2);图5为本发明从物理概念上的理解图6为图1和图2在一个混流式水轮机上的体现图。五具体实施例方式混流式水轮机传统结构的止漏环(见图1所示)(b,〈b2)，这种止漏环结构普遍存在自激脉动压力，是造成水轮机强振的主要原因。采用两道止漏环见(图2)(b1=b2)是一种"零反馈结构"，是对机组稳定和效率都有好处的好结构。若将止漏环设在出口(b,>b2)也可以减少脉动压力，但间隙值太小易发生碰磨，建议设计采用(h》b2)原则适当选择间隙。另外电站的运行经验和实测也证明，当电站下游水位低于止漏环高程时，不论何种结构止漏环，都不会发生自激脉动压力，这是机组发生强振的外因，因此在设计水轮机安装高程时尽量高一些，这对机组稳定运行和检修方便都有好处。我们从实践中发现，尾水管脉动压力的频率一般都是和水轮机摆度(即转轮横向位移)相同。可见尾水管脉动压力与转轮止漏环空间压力有关，这也在我们实测中得到证实。所以本发明人认为原形水轮机尾水管压力过高，就是由于转轮止漏环摆度"自激振动"，放大了水轮机原有的初始脉动压力造成的。所谓"自激振动"就是在一个振动系统内，振动的外力和振动的幅值有函数关系，且是正反馈。即在某工况运行时，初始的外力引起一定的振幅(摆度)，这个振幅又反馈一个外力，增大的外力又使振幅增大、、、、，这种正反馈恶性循环，会使振动的外力被放大数倍甚至几十倍，因此机组出现强振。止漏环空间为什么会发生自激脉动压力，这与止漏环结构有关，止漏环空间是一个漏水过流空间，传统结构如图l，运行中由于转轮的摆度，引起止漏环间隙周期性变化，造成流体的动量变化，从而自激该空间流体压力脉动。压力脉动的幅值与摆度成正比，其频率与摆度相同。我们根据实践经验，理论推求，止漏环空间压力脉动公式如下'v「62+Ax62+Ax2&+Ax&+Ax式中Pa……止漏环进口处比能，P2……止漏环出口处比能，b,……止漏环进口间隙，b2……止漏环出口间隙，Ax……止漏环处摆度(近似水导摆度)；如图l下止漏环出口间隙，就是下环与基础环间隙，该间隙与摆度无关，所以公式中b2无Ax改为《=2"—A)A+Ax&+Ax'(6)公式中(凡-p2)与水头和导叶开度有关，所以当机组水头越高，脉动压力越大。大括号内数值代表放大因数，传统结构止漏环间隙多为b2>b,，分子式6^~大于1，其平方必大于前项。大括号内值为负值，说明该空间压力为动夂+Ax力真空脉动，有的制造厂家为了减少漏水提高效率，将b,间隙尽量縮小，从公式中可看出当间隙越小，大括号内负值越大，即流道空间压力越低，当压力低于汽化压力时，就要发生空化，结果可能引起空蚀，并处使脉动压力进-一步增大，我们将不同的摆度(Ax)带入公式中，可求出放大因数随Ax变化规律，如图3所示。图中(h^b2);放大因数l:可逆机组l，b产6b2=3mm;放大因数2:bt=8mm;b2=3腿；放大因数3:b,=6mm;b2=2腿；放大因数4:2号机b,=b2=3mm。而图4(b,〈b2):放大因数5:l号机上止漏环，b产1.2iran;b2=2.5mm;放大因数6:2号机组，b严6画；b2=25mm;放大因数7:3号机组，bp4.5腿；b2=25mm;放大因数8:4号机组，b,=3■;b2=25mm;放大因数9:5号机组止漏环，b产2mm;b2=25腿。从图3、4中可看出b,越小放大因素斜率越大，即相同的摆度变化，弓|起的脉动压力越大。有的机组由于止漏环间隙b,小，或因水导摆度大，就会引起较大的自激脉动压力。从上述公式中可以看出，当止漏环间隙b2<bi时，分子式^t^小于1，《+Ax其平方值必小于该项，大括号内值为正值，且随摆度变化斜率小。实施列一混流式可逆抽水蓄能机组，传统设计都是把止漏环设在下环末端，所以他的脉动压力都比较低。运行实践中可逆机组很少发生叶片裂纹。我们在白山电站150丽抽水蓄能机组实测脉动压力充分证明这点。该机b产6mm，b2=3mm，实测脉动压力见附表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>附表l:白山7号抽水蓄能机组尾水管压力脉动实测值(电站水头110.3m)众所周知，止漏环间隙大，会因漏水大而降低水轮机效率，间隙小又会引起较大的自激振动，如何选择一种止漏环结构，较好的解决这一矛盾问题，从上述理论公式可以看出，当取t)2二th时分子式^^1，其平方也等于l，大6，+A括号内值为零，说明转轮摆度&不影响脉动压力，即是"零反馈"结构。间隙b2和b,选择两个相等较小间隙值，又可以减少漏水，提高效率。实施例二由瑞士造的两台转轮是在1954-1955年投入运行的，这两台机组投入运行后，由于水轮机自激脉动压力大，运行不稳定，运行期只有1~2年必须吊出机坑大修，水导轴领经常磨偏，两台机都返厂23次处理。经过3040年的运行经验，我们终于找到病根，决定把下止漏环的下梳齿割掉，取b2-b,时，这才使两台机问题彻底解决。图中标注l为中部止漏环(本图设有两道止漏环)，2为转轮叶片，3为转轮，4为下部止漏环，5为下梳齿。现在本发明从物理概念上解释上述止漏环结构对自激脉动压力的不同结果，如图5:设水流在管路流动，为理想流体无损耗，其能量e-z+Z+^为定值，当zr化保持不变，而縮小管径"，使v增加，则^值随之减小。当J縮小到一定时，v增加到足够大，便出现pO的情况，此时如果管道下面接一玻璃管并将它插入水杯中，则水杯中的水沿玻璃管升高，此高度即为该断面的真空值。当该断面压强降到汽化压强A时就要发生空化。水轮机止漏环流道如同上图管道，縮小直径段就如同止漏环间隙，当止漏环设在进口时(^<b2)空间2就相当于止漏环间隙，转轮摆度就相当于管道直径变化，它引起的脉动压力，就像图中管道2中《=/^-A，《=/72-/73......。如果止漏环设在出口(b,bO图中管道1的空间就如同止漏环空间，管道直径引起的该空间压力变化很不明显，如止漏环设两道(bi二b2)，其断面变化是同步(摆度)，则空间2的压力不变。图6为图1和图2在一个混流式水轮机上的体现图，图中的a为图1所在的位置，图中的b为图2所在的位置。如前所述，水轮机脉动压力的问题，开始人们并不认识，所以丰满的2、6号机组5080年代仍保持原瑞士厂家设计结构，可是当初并不知道脉动压力大是什么原因，后来我们根据实测脉动压力规律，推求出理论公式才知道割掉下疏齿止漏环能降低脉动压力，实施后果然取得满意结果。并对水轮机自激振动有了较深的认识。通过运行实践证明，把止漏环改放到转轮下环末端这种可逆式抽水蓄能机组在发电运行时，尾水管脉动压力明显比常规水轮机低，但由于无理论根据，人们尚无一致的认识，在三峡机组投标时有一瑞典专家建议把止漏环放在末端出口，机组运行稳定，也因无理论根据没能采纳，结果三峡已投运的26台了00MW仍采用传统水轮机结构，运行后因脉动压力大必须避开振动区运行，机组只能在额定功率6070%以上范围运行。我们根据自己推求的理论公式(6)计算白山可逆机组脉动压力，并与实测结果完全相符，为此我们向国内制造厂建议对新制造的水轮机止漏环结构改进，据说我国正在建设的西河渡电站800MW水轮机在投标中厂家拟将止漏环该设在末端出口。权利要求1、一种改造混流式水轮机止漏环处消除强振的方法，其特征在于该方法是在混流式水轮发电机叶片的止漏环处的进口间隙(b1)要大于或等于止漏环处的出口间隙(b2)。2、根据权利要求1所述的所述的一种改造混流式水轮机止漏环处消除强振的方法，其特征在于止漏环设置在出口。3、根据权利要求1所述的所述的一种改造混流式水轮机止漏环处消除强振的方法，其特征在于在混流式水轮发电机叶片的止漏环处设有两道进口间隙(b,)。4、根据权利要求1所述的所述的一种改造混流式水轮机止漏环处消除强振的方法，其特征在于电站下游水位要低于止漏环高程。全文摘要本发明涉及混流式水轮机止漏环结构，特别是按本方法改造后，混流式水轮机由尾水管脉动压力引起的强振基本消除，属于水轮发电机组主要部件转轮领域的结构改进。其特征在于该方法是在混流式水轮发电机叶片的止漏环处的进口间隙要大于或等于止漏环处的出口间隙。所述的止漏环设置在出口。在混流式水轮发电机叶片的止漏环处设有两道进口间隙。本发明通过改造混流式水轮机止漏环结构，能够基本消除由混流式水轮机尾水管脉动压力引起的强振，杜绝了因水管脉动压力引起的水轮机叶片裂纹，完全解决了这方面的机组维修，同时也解决了强振区必须避开运行的问题，拓宽水轮发电机组稳定运行范围。文档编号F03B11/04GK101440771SQ20081022928公开日2009年5月27日申请日期2008年12月4日优先权日2008年12月4日发明者刘春林,张雪源,徐珍懋,方仁治,凯陈申请人:东北电力科学研究院有限公司