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抽水蓄能机组相位共振技术交流

相位共振是一种单纯的水力现象,是动静干涉所产生的压力波在蜗壳及高压侧管路中传播和叠加的结果。

动静干涉会导致每一个导叶流道内都产生一个压力场的波动,这一波动会向上游的蜗壳和管道传播。因此,对于上游蜗壳和管道而言,每一个活动导叶流道都相当于一个波源或激振源,这些波源产生压力波的特征频率都是转轮叶片通过频率及其倍频。而受导叶与转轮发生的动静干涉的次序不同,这些导叶流道产生的压力波之间存在一个相位差。如果转轮叶片数和导叶数的选择不合理,会导致这些压力波相位相同而产生幅值的叠加,使得动静干涉产生的水力激振力被极度放大,导致压力钢管振动、高分贝噪声、高强度压力脉动、厂房振动的严重后果。

相位共振可能发生在高水头机组,即使其特征频率不与相关固定部件发生共振,其高强度的激振也极有可能引起固定部件后厂房的高强度受迫振动。相位共振现象在真机和模型之间不存在相似,不能通过模型试验进行预测和验证,而一旦出现在真机运行当中,其造成的结果将是严重的。因此,必须在设计阶段对相位共振进行风险评估。相位共振的发生一般与机组的流道尺寸、转速、水中压力波的传播速度以及转轮叶片数和导叶数有关。该评估方法所产生的结果是一个风险因子,任一阶频率的最大风险因子均低于25%时,相位共振可以被有效规避。在确定了流道控制尺寸后选择叶片数和导叶数匹配时,应评估相位共振的风险,并尽可能避免高风险的搭配。

如某蓄能机组在低水头运行时,随着流量和出力的增加,由导叶尾流和转轮叶片头部的壅压驻流引起的动静干涉(二阶模态)强度逐渐增加!

逐渐增强的二阶压力模态通过顶盖导水机构往上游传播,与结构部件如顶盖耦合促发结构共振;传播至蜗壳内形成相位共振,与厂房土建结构耦合促发厂房共振。通过振动及噪声测试,发现优势频率出现在100Hz,所以,对频域信号分析得到的二阶分量,即顶盖下方测点幅值和蜗壳进口测点的幅值相对于无叶区的测点幅值随负荷变化。

同时,机组在低水头运行时,随着流量和出力的增加,由尾水管肘管激振力ΔpEX诱发的尾水管涡带压力脉动:(1)通过转轮传播至无叶区,与动静干涉引起的压力模态耦合加剧了动静干涉;(2)通过顶盖导水机构往上游传播,与结构部件如顶盖耦合加剧了结构共振;(3)传播至蜗壳内加剧了相位共振及厂房土建结构耦合加剧了厂房共振。

抽水蓄能机组的振动与噪声是复杂的系统设计问题。出现问题时,其诊断与分析,要从系统全面地角度展开,尽可能做到“有的放矢”和“对症下药”。如某电站是通过对转轮进水边设计优化降低动静干涉强度达到较好的效果 ,新转轮的叶片进水边回缩设计增加无叶区间隙,明显降低动静干涉强度。见下图:

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