淺談門渦誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)

淺談門渦誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)

0液氯質(zhì)量上的應(yīng)用近年來，中國大型節(jié)水船連續(xù)發(fā)生門尾噪音干擾的機(jī)組振動(dòng)，導(dǎo)致國內(nèi)機(jī)組的嚴(yán)重振動(dòng)、異常噪聲、旋轉(zhuǎn)葉片疲勞破壞和葉片破裂，這嚴(yán)重危害了機(jī)組的安全運(yùn)行?？ㄩT渦是流體力學(xué)中的重要現(xiàn)象,在流體流動(dòng)與結(jié)構(gòu)物的相互作用中,由卡門渦誘發(fā)的振動(dòng)通常出現(xiàn)在非流線型物體和具有出流厚度的流線型物體后面的尾跡區(qū)。由于旋渦交替地從物體的兩側(cè)泄出,從而在物體上產(chǎn)生一個(gè)周期性的作用力,引起振動(dòng)和噪聲?？ㄩT渦是當(dāng)雷諾數(shù)增大至某一數(shù)值后,葉柵(固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪葉片)尾流區(qū)發(fā)生的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象?？ㄩT渦將產(chǎn)生具有一定振幅且頻率較高的交變載荷,該交變載荷如與某結(jié)構(gòu)部件的固有頻率相近將引起部件共振,導(dǎo)致部件疲勞破壞。20世紀(jì)70年代末,浙江黃壇口水電站的HL310-LJ-230型水輪機(jī)出現(xiàn)大面積葉片裂紋,后經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片存在120Hz的嚴(yán)重振動(dòng)。同機(jī)型的湖南水府廟電站、江西省洪門電站在投產(chǎn)運(yùn)行1a(有的不到1a)就發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片有不同程度的裂紋。當(dāng)時(shí)最初分析認(rèn)為是輪轉(zhuǎn)產(chǎn)生共振引起轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋,在離葉片出水邊約50mm處沿著上環(huán)與下環(huán)中心焊上30×2無縫鋼管把各葉片連接起來焊牢,使轉(zhuǎn)輪和葉片成為堅(jiān)固整體。試運(yùn)行一段時(shí)間后裂紋似有減輕,但機(jī)組出力受到影響,沒有根本解決共振問題。最終經(jīng)有關(guān)專家研究分析,確定引起轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的原因是卡門渦誘發(fā)的葉片共振,后經(jīng)葉片出水邊修型后,共振現(xiàn)象消除。2000年以后,我國相繼投運(yùn)的棉花灘、大朝山、小浪底、劉家峽1號(hào)機(jī)改造、三峽右岸22F和26F等大中型機(jī)組也發(fā)生過卡門渦誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)和葉片裂紋問題。1卡氏抽干的影響在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片或?qū)~間的流道內(nèi),水流可以近似地認(rèn)為由明顯的2個(gè)區(qū)域組成,靠近葉片表面的一層為粘性邊界層,另一區(qū)域?yàn)槿~片之間的非粘性流區(qū)域。邊界層對(duì)非粘性流只有微小的影響,而邊界層的增長是由非粘性流區(qū)域的壓力梯度決定的。邊界層在前駐點(diǎn)開始形成,在邊界層沿葉片體增長一小段距離后,邊界層到達(dá)由層流變?yōu)槲闪鞯呐R界點(diǎn),這種過渡是由于邊界層接近臨界邊界層厚度所致,或者是由于邊界層接近臨界厚度處葉片型線的突變或表面缺陷所引起的。在非粘性流影響下,紊流邊界層繼續(xù)沿葉片的兩側(cè)表面增加厚度,直到邊界層從葉片表面分離。實(shí)際流體繞流葉片體時(shí),邊界層的分離將使葉片尾流區(qū)內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定的、非對(duì)稱的、排列規(guī)則的、相互間旋轉(zhuǎn)方向相反的脫體旋渦,這些排列有序的渦列即為卡門渦列,如圖1所示。葉片尾部卡門渦列的生成及脫落,將在葉片尾流區(qū)產(chǎn)生與卡門渦列脫落頻率相同的水壓脈動(dòng)。如果這種水壓脈動(dòng)足夠大,并且其脈動(dòng)頻率與葉片的固有頻率接近時(shí),將誘發(fā)共振,引起葉片的大幅值振動(dòng)。如果其振動(dòng)幅值足夠大,將影響邊界層分離點(diǎn)的位置,導(dǎo)致“鎖定”現(xiàn)象,即在較大的水流速度范圍內(nèi),卡門渦列的脫落頻率被迫與葉片的固有頻率相同。葉片的渦激振動(dòng)幅值還可能由于在葉片間的空腔產(chǎn)生水力共振而進(jìn)一步增大。2圓柱體受內(nèi)部流態(tài)特性的演化理論上講,任何具有出水邊厚度的繞流體都有卡門渦泄出?？ㄩT渦泄出頻率不與葉片的固有頻率耦合發(fā)生共振就不會(huì)產(chǎn)生異常噪聲,此時(shí),卡門渦的作用能量較小,對(duì)葉片無明顯的有害影響,也不會(huì)對(duì)葉片造成損害。由卡門渦誘發(fā)的振動(dòng)的頻率和振幅受很多因素控制。目前幾乎所有關(guān)于這方面的研究均基于平板流動(dòng),對(duì)水輪機(jī)中環(huán)列葉柵的卡門渦研究很少,對(duì)于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)環(huán)葉柵研究得更少,在水輪機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)卡門渦頻率進(jìn)行校核也主要依據(jù)對(duì)平板的研究結(jié)果。影響卡門渦頻率的因素很多,其中2個(gè)主要因素是繞過葉片的流態(tài)和出水邊幾何形狀與的尺寸?？ㄩT渦泄出頻率由式(1)計(jì)算:fvk=Shwd(1)fvk=Shwd(1)式中:fvk——卡門渦泄出頻率,Hz;Sh——斯特魯哈數(shù)(Strouhal);W——流動(dòng)分離點(diǎn)的平均速度,m/s;d——分離點(diǎn)葉片的厚度,m,d=db1+db;db1——分離點(diǎn)葉片的厚度,m;db—分離點(diǎn)的邊界層厚度,m。式(1)所表述的斯特魯哈數(shù)稱之為通用斯特魯哈數(shù),該值與幾何形狀無關(guān),與尾流狀態(tài)的雷諾數(shù)也無關(guān),是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值或試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值,是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)并得出適用于原型水輪機(jī)卡門渦頻率計(jì)算的斯特魯哈數(shù),但不同的研究者得出的數(shù)據(jù)范圍變化比較大。國內(nèi)目前普遍采用的取值為Sh=0.225~0.25或Sh=0.23,是一個(gè)基本固定的值。盡管理論上可以求出斯特魯哈數(shù),但由于目前所普遍采用的水力計(jì)算方法,只能計(jì)算出水邊處分離流的尾跡厚度,很難給出卡門渦分離點(diǎn)的確切位置,在研究作用于葉片的尾流流體動(dòng)力的實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的困難,使得估計(jì)水輪機(jī)的斯特魯哈數(shù)存在某些不確定性。以往的大多數(shù)試驗(yàn)都是在圓柱體上做的,并且其雷諾數(shù)往往比水輪機(jī)中的低得多。對(duì)平板出水邊的流態(tài)研究相對(duì)較少,并且各種結(jié)果還不一致,有的用出水邊厚度尺寸計(jì)算,有的用板厚度計(jì)算,個(gè)別還考慮邊界層的厚度。在圖2中,所有試驗(yàn)板都有相同的特征尺寸“d”,但由于出水邊形狀不同,其邊界層分離點(diǎn)的漩渦脫落頻率差值達(dá)2倍之多。影響斯特魯哈數(shù)的取值,除葉片幾何形狀和邊界層厚度外,在很大程度上取決于雷諾數(shù)Re:(1)當(dāng)40≤Re<150時(shí),層流尾跡中開始出現(xiàn)交替從圓柱體上脫落的旋渦,逐步形成穩(wěn)定的、非對(duì)稱的、排列有規(guī)則的、旋轉(zhuǎn)方向相反的層流渦街。交替脫落的旋渦將會(huì)在圓柱體上產(chǎn)生橫向交變的作用力,迫使圓柱體振動(dòng),稱為誘導(dǎo)振動(dòng)。斯特魯哈數(shù)的規(guī)律近似為Sh=0.212(1?21.2Re)Sh=0.212(1-21.2Re)。(2)當(dāng)150≤Re<300時(shí),層流渦開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳒u,Sh=0.16~0.20。(3)當(dāng)300≤Re<3×105時(shí),稱為亞臨界區(qū),此時(shí)邊界層仍為層流分離,而尾跡已轉(zhuǎn)化為紊流渦街。在此雷諾數(shù)范圍,Sh≈0.20。(4)當(dāng)3×105≤Re<3.5×106時(shí),經(jīng)歷了臨界區(qū)和超臨界區(qū),邊界層的分離已從層流分離轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞣蛛x,旋渦由規(guī)則脫落變成不規(guī)則脫落,流動(dòng)呈現(xiàn)出隨機(jī)性。(5)當(dāng)Re=3.5×106時(shí),稱為臨界區(qū),此時(shí)紊流渦街又重新建立,尾跡又呈現(xiàn)出周期性特征。在上述的整個(gè)雷諾數(shù)范圍內(nèi),圓柱體的斯特魯哈數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。雷諾數(shù)Re在3×105~3.5×106范圍內(nèi),尾跡的斯特魯哈數(shù)是不確定的。對(duì)于原型水輪機(jī),雷諾數(shù)通常在Re=107左右,通用斯特魯哈數(shù)約0.28。轉(zhuǎn)輪葉片出口卡門渦頻率計(jì)算采用全三維非粘性流動(dòng)分析,確定轉(zhuǎn)輪葉片流動(dòng)分離點(diǎn)的平均速度W和分離點(diǎn)處的葉型厚度,目前基本都沒有考慮邊界層厚度,而是在選取斯特魯哈數(shù)時(shí)進(jìn)行綜合考慮。近幾年,法國ALSTOM公司斯特魯哈數(shù)取值為0.15~0.25,瑞士洛桑理工學(xué)院(EPFL)水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室斯特魯哈數(shù)取值為0.18~0.24。3高頻振動(dòng)對(duì)葉片和導(dǎo)葉的影響卡門渦誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)具有如下特征:(1)振動(dòng)發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的局部區(qū)域,大多發(fā)生在較大負(fù)荷區(qū)。這是因?yàn)榭ㄩT渦誘發(fā)共振不僅需要卡門渦激振頻率和固有頻率接近,而且還需要有一定的激振幅值。對(duì)于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片,只有在較大負(fù)荷區(qū),葉片出水邊的相對(duì)速度才比較均勻,且達(dá)到一定數(shù)值,才能使卡門渦具有足以激發(fā)葉片共振的頻率和能量。(2)振動(dòng)頻率為高頻,這種高頻振動(dòng)很容易引起疲勞破壞,直接影響轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉。對(duì)于轉(zhuǎn)輪葉片共振頻率一般在100~500Hz的葉片,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)2個(gè)甚至2個(gè)以上的共振頻率和振動(dòng)區(qū)域,見圖4。對(duì)于固定導(dǎo)葉振動(dòng)頻率要低一些,一般情況只出現(xiàn)一個(gè)共振頻率和振動(dòng)區(qū)域。這是因?yàn)樗啓C(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的固有頻率非常密集,各階振動(dòng)頻率間隔較小。而對(duì)于固定導(dǎo)葉,其各階振動(dòng)頻率間隔較大。另外,激發(fā)共振的另一個(gè)重要條件是激振幅值,也就是激振力的能量。在卡門渦能量一定的情況下,頻率越高其幅值就越低,因此,要在更高頻率下激發(fā)共振,就需要更高的卡門渦能量,這樣就必須加大流量,提供葉片出水邊的相對(duì)流速。所以,在水輪機(jī)正常運(yùn)行范圍內(nèi),超過500Hz的共振頻率也比較少見。(3)在振動(dòng)區(qū)域伴隨異常金屬嘯叫聲。噪聲主要頻率與機(jī)組振動(dòng)頻率一致(機(jī)組振動(dòng)測量需要采用加速度振動(dòng)傳感器來進(jìn)行測量,如采用用于常規(guī)振動(dòng)測量的低頻速度振動(dòng)傳感器測量,則無法測得此高頻振動(dòng)),也為100~500Hz的頻率,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)2個(gè)甚至2個(gè)以上的主要頻率區(qū)域,見圖5所示,且幅值隨機(jī)組負(fù)荷的變化趨勢也與頂蓋振動(dòng)基本相同。通過對(duì)以上3個(gè)卡門渦誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)和噪聲的分析判斷,可以基本確定水輪機(jī)是否存在卡門渦共振問題。4卡潮的激振幅值比卡門渦本身的作用能量較小,如果不誘發(fā)共振,就不會(huì)產(chǎn)生異常噪聲,也不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片造成損害。由于轉(zhuǎn)輪葉片或?qū)~卡門渦具有高頻特性,容易誘發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片或固定導(dǎo)葉產(chǎn)生共振,導(dǎo)致疲勞破壞。能否誘發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片或固定導(dǎo)葉產(chǎn)生共振,取決于2個(gè)條件:卡門渦頻率和葉片或?qū)~固有頻率的比值;卡門渦的激振幅值。因此,從理論上講,避免或消除卡門渦共振的措施也是2條:一是改變卡門渦的頻率,避免卡門渦激振頻率與葉片或?qū)~固有頻率重疊;二是降低卡門渦的激振幅值,降低葉片或?qū)~的激振動(dòng)態(tài)荷載。實(shí)際上,對(duì)于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片,要避免卡門渦激振頻率與葉片固有頻率的重疊是幾乎不可能的。因?yàn)檗D(zhuǎn)輪葉片固有頻率有很多很多階,且各階固有頻率的間隔較小,頻率范圍較大,另外,卡門渦頻率也是隨著機(jī)組運(yùn)行工況的變化在不斷改變(包括開停機(jī)過程、空載以及不同負(fù)荷運(yùn)行工況等),其可能的頻率范圍也是比較大的。因此,要避免或消除卡門渦共振問題就必須要降低卡門渦的激振幅值。在實(shí)際工程應(yīng)用中,一般采取削薄的非對(duì)稱出水邊形狀(如圖2中的“5”類型),以提高卡門渦頻率,減低卡門渦的激振幅值,達(dá)到避免或消除卡門渦共振的效果。5卡潮中的引發(fā)因素(1)理論上講,任何具有出水邊厚度的繞流體都有卡門渦泄出,卡門渦本身的作用能量較小,如果不誘發(fā)共振,就不會(huì)引起機(jī)組異常振動(dòng),也不會(huì)對(duì)機(jī)組造成損害。由于轉(zhuǎn)輪葉片或?qū)~卡門渦具有高頻特性,容易誘發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片或固定導(dǎo)葉產(chǎn)生共振,導(dǎo)致疲勞破壞。(2)卡門渦的頻率主要取決于葉片出水邊的厚度和幾何形狀、葉片出水邊處的相對(duì)速度等因素,選擇合適的葉片出水邊的厚度和幾何形狀,對(duì)消除卡門渦共振問題起到關(guān)鍵性的作用。(3)卡門渦誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的局部區(qū)域,大多發(fā)生在較大負(fù)荷區(qū)。振動(dòng)頻率為高頻,