一种消除混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动的方法与流程

本发明涉及水力机械技术领域，具体涉及一种消除混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动的方法。

背景技术：

混流式水轮机按照布置方式可分为卧式和立式，卧式水轮发电机适合中小型、惯流及冲击式水轮机，一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。安装有混流式水轮机立式机组的电站在运行过程中，经常会遇到因机组振动摆度大而影响电站安全稳定的问题。当电站的机组主轴摆度突然放大时，机组振动剧烈，摆度频率达到主轴临界转速频率，产生了机组的自激振动。

自激振动是由于结构系统受到自身控制的激励作用、由系统内部非振动能量转换激励而产生的振动，与外界激励无关。在水电站运行过程中，由主轴弓状回旋发展而成的自激振动最为常见，主轴弓状回旋而发展的自激振动如不及时消除，可能会导致振动摆度剧烈、轴承损坏、机组无法正常运行等故障，甚至危及电站安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种消除混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动的方法，用以避免主轴弓状回旋发展成自激振动从而消除其造成的危害。

本发明提供一种消除混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动的方法，包括以下内容：在选择或设计混流式水轮发电机组结构时，优先采用半伞式混流式水轮发电机而尽量避免悬垂式混流式水轮发电机，其中半伞式混流式水轮发电机的推力轴承布置于发电机转子下方，悬垂式混流式水轮发电机的推力轴承布置于机组顶部；若采用了悬垂式混流式水轮发电机，则在水轮机转轮和转轮室之间间隙外侧对称布置多个补气管，当遇自激弓状回旋发生时，通过多个所述补气管向迷宫间隙补入压缩空气，以改变间隙压力状况。

优选地，所述补气管的数量大于或等于四个，其中有四个所述补气管分别布置于正对着所述水轮机转轮和所述转轮室的间隙，多个所述补气管保持均匀布置。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种消除混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动的方法，该混流式水轮发电机的推力轴承布置于发电机转子下方；并在机组结构设计阶段和机组结构维护阶段均采用相关措施，避免了其主轴弓状回旋发展成自激振动从而消除其造成的危害。该设计及运行维护方法方案明确、操作简单，有的放矢，针对性强，全面有效。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的悬垂式结构的混流式水轮发电机机组布置示意图；

图2是本发明实施例1提供的混流式水轮机转轮在转轮室内偏心旋转示意图；

图3是本发明实施例1提供的悬垂式结构机组主轴不弯曲弓状回旋示意图；

图4是本发明实施例2提供的半伞式结构混流式水轮发电机组布置示意图。

附图说明：1-推力轴承；2-上导轴承；3-转动部分，其中：31-发电机转子，32-水轮机转轮，33-主轴；4-下导轴承；5-水导轴承；6-转轮室；7-补气管。

具体实施方式

按照推力轴承位置分，立式发电机又分为悬垂式、半伞式等多种，推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适用于转速在100r/min以上。推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速在150r/min以下。

实施例1

实施例1提供一种悬垂式结构的混流式水轮发电机，下面对其结构进行详细描述。

参考图1，混流式水轮发电机包括转动部件3和推力轴承1，其中转动部件3包括发电机转子31、水轮机转轮32和主轴33，其机组布置采用悬垂式的布置方式，即发电机转子31和水轮机转轮32布置在推力轴承1下方。

具体地，发电机转子31和水轮机转轮32分别设置于主轴33的上部和下部，主轴33及设置于其上的发电机转子31和水轮机转轮32共同组成了转动部分3。主轴33的顶端设置有用于连接机组顶部的推力轴承1和上导轴承2，转动部分3位于推力轴承1的下方。于发电机转子31和水轮机转轮32之间的两端分别设置有下导轴承4和水导轴承5。

该悬垂式结构的混流式水轮发电机的转动部件还包括转轮室6，该转轮室6设置于主轴33的底端，且在水轮机转轮32和转轮室6之间留有间隙，以保证水轮机转轮32不和转轮室6接触并产生摩擦。

为了进一步说明悬垂式结构的混流式水轮发电机容易产生自激的原因，参考图2，当水轮机转轮32旋转时，在离心力作用下，水轮机转轮32向一侧偏移，形成一侧间隙小、一侧间隙大的弓状回旋。在间隙小一侧，会因流量大、间隙流速高而产生大面积空化，会将空化前间隙流对水轮机转轮32的推力改变为空化后的拉力，把水轮机转轮32进一步向转轮室6拉近，产生负阻尼作用，振动幅值加大，从而使常规弓状回旋发展转变为自激振动。结合图3，之所以悬垂式结构的混流式水轮机会发生弓状回旋自激振动，是因为悬垂式结构的混流式水轮机转轮32离推力轴承1比较远，可在较小空化空腔吸力作用下将转轮32向转轮室6进一步拉近，甚至主轴33都不用产生真正的弯曲而产生弓状回旋，只需将水轮机转轮32推离转轮室6的中心线oo，产生摆尾运动如图3所示，使自激振动更易发生。

为了消除悬垂式结构的混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动，参考图2，在水轮机转轮32和转轮室6之间间隙外侧均匀布置四个或四个以上补气管7，四个所述补气管7均对准布置于所述水轮机转轮32和所述转轮室6的间隙，均匀布置。当遇自激弓状回旋发生时，通过补气管7向迷宫间隙补入压缩空气，以改变间隙压力状况，消除自激振动。

实施例2

实施例2提供一种半伞式结构的混流式水轮发电机，下面对其结构进行详细描述。

参考图4，半伞式水轮发电机同样由推力轴承1、上导轴承2、转动部分3、下导轴承4、水导轴承5及转轮室6等组成。其与悬垂式结构的混流式水轮发电机最明显的不同是，其推力轴承1布置在发电机转子31下方。

采用半伞式布置相对于悬垂式在防止弓状回旋自激振动方面有两个优点：

(1)自激振动发生位置在转轮室6，半伞式布置转轮室6离推力轴承1近，主轴33在同样离心力、空化吸力条件下产生变形小，产生自激振动可能小；

(2)转动部分3最重的部件是发电机转子31，其上方有上导轴承2束缚，下方有推力轴承1及下导轴承4束缚，上下双束缚及转子的巨大质量可保证主轴不会产生图3所示的不弯曲弓状回旋，达到减小主轴偏心距之目的，减小产生自激振动可能性。

实施例3

实施例3提供一种消除混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动的方法，该方法包括以下内容：

(一)机组结构设计：在选择或设计混流式水轮发电机组结构时，优选选择如图4所示的推力轴承1布置于发电机转子31下方的半伞式混流式水轮发电机，尽可能避免采用如图1所示的推力轴承布置于机组顶部的悬垂式混流式水轮发电机。

之所以如此选择，是因为图1所示的悬垂式机组的推力轴承1设置在发电机转子31上部，位于机组最高处。水轮机转轮32离推力轴承1最远，有可能在较小离心力作用下引起转轮31的几何中心o'偏离转轮室6中心o更远(见图2)，甚至有可能将支撑强度较差的水导轴承5、下导轴承4间隙放大(见图3)，导致转轮32在离心力作用下进一步靠近转轮室6，造成局部间隙非常小，流速非常高，水体空化，形成大面积空化空腔，产生对转轮32的吸力。该吸力和离心力同向，产生负阻尼作用，驱使转动部分3中心o'绕转轮室6中心o公转并向主轴的临界转速频率逐渐趋近，最终形成自激振动。因此，推荐选用半伞式结构，将推力轴承2布置在转子31下部(见图4)，转轮32离推力轴承31更近，加之有转子的平衡作用及上导轴承的阻碍作用，转轮32处离心力难以形成图3所示主轴不弯曲弓状回旋，只能产生使主轴产生实质性弯曲的弓状回旋。而这种弓状回旋势必使主轴产生很大的回弹力，使空化空腔的吸力难以企及，因而可避免自激振动发生。

(二)机组运行维护：若选择了悬式结构的混流式水轮发电机组，为防止并消除弓状回旋自激振动危害，可在水轮机转轮32和转轮室6的间隙上方对称布置四个及以上的补气管7。

当遇自激弓状回旋发生时，通过补气管7向迷宫间隙补入压缩空气，以改变间隙压力状况，使小间隙侧因空化而形成的负压变为正压，负压的负阻尼作用变为正阻尼，间隙空化空腔对转轮的吸力变为压缩空气对转轮32的推力，消除自激振动。

通过对该混流式水轮发电机主轴弓状回旋自激振动机理的研究发现：

(1)当迷宫间隙很小在大流量工况导致间隙最小处大面积空化时，空化空腔形成负压，产生的吸力是将主轴33及转轮32向外侧拉，产生自激振动必须的负阻尼作用，这是因为在空化前，间隙水体对转轮的作用力是推力，和离心力反向，属正阻尼，其为自激弓状回旋发生创造了必要条件。

(2)悬垂式机组的推力轴承1设置在最高点，其推力轴承1相当于铰支点。该类结构更易在离心力作用下将下导轴承4和水导轴承5处的轴承间隙扩大，从而造成主轴33能在较小离心力下形成较大偏心距，使得主轴33产生没有弯曲变形的弓状回旋，主轴33可不至于因弯曲大而产生很大的抗弯曲回弹力，使得间隙空化空腔产生的吸力足以和回弹力抗衡，为自激振动发生创造了有利条件。

(3)混流式水轮发电机组的弓状回旋发展成自激振动的罪魁祸首是迷宫间隙空化，空化空腔的负阻尼作用使得间隙最小位置流体对转轮32的作用力由推力变为吸力，和离心力方向相同，加大了主轴偏心距，导致自激振动发生。补气能改变间隙处压力，将负压变为正压，改负阻尼为正阻尼，从而消除自激振动。对准间隙补气，是因为间隙处是自激弓状回旋发源地，从其它位置补气不一定能准确补充到位；对称布置4个补气管，是为了让压缩空气覆盖更广的间隙范围，增强补气效果。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。