专利摘要

本发明公开了一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在选择贯流式水轮机导叶数Zg和转轮叶片数Zr时，使导叶数Zg和转轮叶片数Zr之间为非整数倍关系；2)优化转轮室及与其连接为一体的尾水管的设计；3)优化转轮高压侧机组各部件和厂房结构的设计。本发明通过对转轮叶片数和导叶数的组合选择、转轮室及转轮高压侧各结构部件的防共振设计，有效减轻贯流式水轮机间隙空化带来的强烈振动和共振危害。

权利要求

1.一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在选择贯流式水轮机导叶数Zg和转轮叶片数Zr时，调整导叶数Zg和转轮叶片数Zr之间为非整数倍关系；

2)优化转轮室及与其连接为一体的尾水管的设计，调整转轮室及尾水管共同的固有频率大于叶片通过频率fr和导叶数倍频fg之和；

3)优化转轮高压侧机组各部件和厂房结构的设计，调整转轮高压侧机组各部件和厂房结构的固有频率，使其在导叶数倍频fg的2.2倍以上。

2.如权利要求1所述的一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法，其特征在于，在上述步骤2)中，调整转轮室及尾水管共同的固有频率在叶片通过频率和导叶数倍频 之和的1.1倍以上，

即转轮室及尾水管共同的固有频率≥1.1·(fr+fg)＝1.1(fn·Zr+fn·Zg)；

式中，fn为贯流式水轮发电机组的额定转速频率；

fr为叶片通过频率，fr＝fn·Zr；

fg为导叶数 倍频 ，fg＝fn·Zg。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法，属于水力机械技术领域。

背景技术

近十几年来，受高水头水电站开发多进入高山深谷、远离用电负荷区及移民难度增加等困难，低水头电站开发进入高峰期，建设了一大批贯流式水电站。总体而言，这些贯流式水电站运行良好，发挥了很好的作用，运行也比较稳定。但也发现不少问题，其主要问题就是部分电站低水头压力脉动大，振动严重，无法正常发电。有些电站虽然能运行，但因为振动严重造成转轮室撕裂。个别水电站甚至因为尾水位降低、水头增高而在高水头无法正常运行，原因也是发生了强烈的压力脉动。

研究证明，贯流式水轮机强烈的高幅值、高频率压力脉动绝大多数来源于间隙空化，是转轮叶片与转轮室和转轮体的间隙及导叶两个端面间隙的空化产生的空化空腔随着转轮旋转，分别在间隙所处高程变化及转轮叶片干扰下产生膨胀-收缩变化，形成纵波压力脉动。该压力脉动又引起机组及厂房结构剧烈振动，危害电站安全。

研究还证实，在贯流式水轮机尾水管可测量到叶片通过频率fr(以下简称“叶频”，fr＝fn·Zr，其中fn为贯流式水轮发电机组的额定转速频率，Zr为转轮叶片数)压力脉动，在转轮室可测量到该频率振动，这均由叶片外缘间隙空化空腔的膨胀-收缩循环变化引起。在尾水管还可测量到机组额定转速频率fn的导叶数倍数频率fg(以下简称“导叶数倍频”，fg＝fn·Zg，其中Zg为导叶数)。部分电站测量到主频f1为叶频和导叶数倍频之和的压力脉动或振动(即f1＝fr+fg)，说明导叶和转轮叶片端面间隙空化共同形成一更高频压力脉动。在转轮高压侧，导叶端面间隙空化还可能导致导轴承、支墩等位置的高频振动，其频率多为nz·fr或nz2·fr，其中：nz为导叶数Zg与叶片数Zr之商的取整值，即nz＝int(Zg/Zr)；而nz2为2倍导叶数Zg与叶片数Zr之商的取整值，即nz2＝int(2Zg/Zr)。如主频f1＝nz·fr＝int(Zg/Zr)fr，则说明每个导叶端面发生了一处间隙空化，即使导叶轴两侧均发生间隙空化也可能已连接成一片；如主频f1＝nz2·fr＝int(2Zg/Zr)fr，则说明每个导叶端面发生了2处间隙空化，即导叶轴两侧均发生间隙空化。

因此，有必要研究贯流式水轮机间隙空化空腔引起压力脉动对电站结构及机组振动的影响，并在此基础上提出减轻振动、防止共振的方法，保障电站运行稳定和安全。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法，该方法是在基于对贯流式水轮机转轮叶片及导叶端面间隙空化空腔引起压力脉动的频率特征进行深入研究的基础上提出的，通过对转轮叶片数和导叶数的组合选择、转轮室及转轮高压侧各结构部件的防共振设计，有效减轻贯流式水轮机间隙空化带来的强烈振动和共振危害。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在选择贯流式水轮机导叶数Zg和转轮叶片数Zr时，调整导叶数Zg和转轮叶片数Zr之间为非整数倍关系；

2)优化转轮室及与其连接为一体的尾水管的设计，调整转轮室及尾水管共同的固有频率大于叶片通过频率fr和导叶数倍频fg之和；

3)优化转轮高压侧机组各部件和厂房结构的设计，调整转轮高压侧机组各部件和厂房结构的固有频率，使其在导叶数倍频fg的2.2倍以上。

进一步地，在上述步骤2)中，调整转轮室及尾水管共同的固有频率在叶片通过频率和导叶数倍数频率之和的1.1倍以上，

即转轮室及尾水管共同的固有频率≥1.1·(fr+fg)＝1.1(fn·Zr+fn·Zg)；

式中，fn为贯流式水轮发电机组的额定转速频率；

fr为叶片通过频率，fr＝fn·Zr；

fg为导叶数倍数频率，fg＝fn·Zg。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：本发明通过对转轮叶片数和导叶数的组合选择、转轮室及转轮高压侧各结构部件的防共振设计，有效减轻贯流式水轮机间隙空化带来的强烈振动和共振危害。

附图说明

图1是采用余弦函数模拟的贯流式水轮机(Zg＝16，Zr＝4)转轮高压侧压力脉动示意图；

图2是图1中的压力脉动的FFT频谱分析图；

图3是采用余弦函数模拟的贯流式水轮机(Zg＝15，Zr＝4)转轮高压侧压力脉动示意图；

图4是图3中的压力脉动的FFT频谱分析图。

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。

本发明提供了一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法，其包括以下步骤：

1)优化导叶数Zg和转轮叶片数Zr，调整导叶数Zg与叶片数Zr的比值不等于整数，即导叶数Zg和转轮叶片数Zr之间为非整数倍关系。

因为如果导叶数Zg恰好等于转轮叶片数Zr的整数倍，导叶间隙空化形成的压力脉动在转轮高压侧则可能形成周期非常均匀的波形；

假定额定转速频率fn等于1Hz，转轮叶片数Zr＝4，导叶数Zg＝16，导叶数Zg和转轮叶片数Zr为整数倍关系，采用余弦函数模拟获得的导叶间隙空化形成的压力脉动在转轮高压侧的波形示意图(如图1所示)，从图中可看出，压力脉动的波形图非常规范，幅值相等，周期一致，是标准的余弦曲线；压力脉动的FFT频谱分析结果(如图2所示)，从图中可看出，压力脉动的主频等于16Hz，图中没有其余突出分频，这样的干扰波形如其频率和贯流式水轮机的机组各主要部件或厂房结构的固有频率相等，很容易引发共振。

如果导叶数Zg不等于转轮叶片数Zr的整数倍时，导叶间隙空化形成的压力脉动在转轮高压侧则可能形成周期部分相等、部分不相等的非均匀波形；假定转轮叶片数Zr＝4，导叶数Zg＝15，导叶数Zg和转轮叶片数Zr为非整数倍关系，采用余弦函数模拟获得的导叶间隙空化形成的压力脉动在转轮高压侧的波形示意图(如图3所示)；从图中可看出，尽管Zg＝15，但其产生的波形有16个周期不相等的波，压力脉动的FFT频谱分析结果(如图4所示)，从图中可看出，压力脉动的主频也是16Hz，不过主频幅值比图2中的主频幅值低，其它分频的幅值也能凸显出来，但都是叶频倍数，如12Hz、20Hz等；这样的干扰波形即使和贯流式水轮机的机组各主要部件或厂房结构的固有频率相等，其也可能因二者之间时而同步、时而不同步而大大减弱共振的破坏力。

2)优化转轮室及与其连接为一体的尾水管的设计，具体过程以下：

计算转轮室及尾水管共同的固有频率，使转轮室及尾水管共同的固有频率在叶频fr和导叶数倍频fg之和的1.1倍以上；即：

转轮室及尾水管共同的固有频率≥1.1·(fr+fg)＝1.1(fn·Zr+fn·Zg)

其中，fn为贯流式水轮发电机组的额定转速频率；Zr为转轮叶片数；Zg为导叶数；

主要是因贯流式水轮机叶片数比较少，而导叶间隙空化引起的纵波压力脉动穿透力比较强，极可能在转轮低压侧(如转轮室和尾水管)形成fg(fg＝fn·Zg)频率压力脉动，也可能和叶频压力脉动一起共同形成主频为fr+fg的压力脉动，并引起相应频率的振动。因此，使转轮室及尾水管共同的固定频率大于1.1·(fr+fg)，则可以防止转轮室及尾水管共同的固有频率与转轮叶片间隙空化、导叶间隙空化共同引起的压力脉动频率相等而引起的转轮室共振。

3)优化转轮高压侧机组各部件和厂房结构的设计，具体过程如下：

计算转轮高压侧机组各部件和厂房结构的固有频率，使其超过导叶数倍频fg的2.2倍；即：

转轮高压侧机组各部件和厂房结构的固有频率≥2.2fg＝2.2fn·Zg。

如在导叶端面发生间隙空化，则可能在尾水管形成频率为导叶数乘转动频率(即fn·Zg)的压力脉动，在转轮上游侧形成nz或nz2倍叶频fr(即nz·fr或nz2·fr)的压力脉动，此处，nz＝int(Zg/Zr)，nz2＝int(2Zg/Zr)。当每个导叶只有一个导叶端面间隙空化发生时，其在转轮旋转扰动下引起的上游测点压力脉动频率f1＝nz·fr；当每个导叶有导叶轴前后两处端面间隙空化发生时，其在转轮旋转扰动下引起的上游测点压力脉动频率f1＝nz2·fr；因此，转轮高压侧导叶间隙引起的压力脉动在测点的合成结果最高频率为int(2Zg/Zr)·fr。以Zr＝3、Zg＝16的电站为例，其可能的最高主频为int(2Zg/Zr)·fr＝33fn，而2.2fg＝2.2fn·Zg＝35.2fn>33fn，可以避免因该固有频率等于导叶间隙空化引起压力脉动频率而造成的共振。又比如，Zr＝5、Zg＝16，int(2Zg/Zr)·fr＝30fn，而2.2fg＝2.2fn·Zg＝35.2fn>30fn，可以避免该共振。

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。

一种减轻贯流式水轮机间隙空化引起压力脉动危害的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。