水轮发电机组异常声响成因探讨

福建沙县城关电站三台机组已于二零零零年六月上旬全部投入商业运。从电站主机设备的设计、制造、安装，经运行实践，总体情况良好，但机组在某些工况下运转时，发出的周期性异常声响，该现象在国内尚属罕见，本文特将现象作扼要介绍，并兼作初步探讨。 　　一、水轮发电机组主要参数 　　水轮机：发电机 　　（1）型号：灯泡贯流式 GZ4BN28A-WP-490 （1）型号：SFWG16-60/5430 　　（2）主轴布置形式：卧轴、两支点双悬臂（2）额定电流：100 R/MIN 　　（3）转轮直径：D1=4.9m （3）额定电压：6300V 　　（4）额定水头： 8.8m （4）额定功率：1600KW 　　（5）额定出力: 1650KW （5）额定功率因素：0.9 　　（6）额定流量：206.1m3/S （6）额定转速：100R/MIN 　　（7）最大飞逸转速:348.7 R/MIN （7）额定频率：50HZ 　　（8）最高效力：94.93% 　　（9）吸出高度：- 6.72m 　　（10）水轮机安装高程：97m 　　二、机组的异常声响 　　 九九年十二月四日一号机进行首次启动，当转速达到84转/分时，发现在转轮室发出轻微的类似金属的碰撞声，声响频率与机组转速同步，随机组转速上升，声级随之增加，转速达到88~104转/分时，异常声响达到高峰，括擦声淹盖水流声，转速升至108转/分以上，异常声响又渐渐消失，机组转动呈现正常状态。 　　根据声响症状，且与机组频率一致的特点，当时认为是结构性的机械声响，而且主要部位在转轮室。然之进行流道检查。检查发现转轮室的油漆有块状剥落，呈现金属光泽面。在浆叶上方的转轮室顶部，120度范围内，有类似磨擦痕迹，紧靠浆叶中心线下游方有一块较大磨擦区，其余部分面积较小，转轮室下底部也有较小的擦痕。此外，在浆叶的转动区域外也有明显的脱漆现象。 　　检查转轮浆叶外缘端面，也发现个别浆叶有类似磨擦症象，判别为浆叶与转轮室边壁存在间隙磨擦。当即对浆叶出水边的外缘进行局部打磨0.5mm 。机组再次充水空载启动，但声响依旧，无任何变化。转轮室的油漆脱落面基本相同，只是面积大小、以及位置略有变化。 　　为探明周期性声响的原因，继而对水轮机的转动部件，如：浆叶与转轮连接螺丝、转轮与主轴的连接螺丝、主轴密封等，凡可能造成机械松动或相碰磨擦的部位作了全面仔细的检查及处理。而且在检查过程中，采取了各种保证措施，排除并否定了机械性磨擦的因素。 　　机组继续各项启动程序试验 ，测试值均符合标准规定。在做发电机短路试验时，励磁电流加至一定值后，机组的异常声响突然消失。机组并入电网后（未带负载），声响也聚然停止，从感觉上与正常机组一样。机组有无声响时的摆度、振动无明显变化，都在正常范围内。但是各监视表计的指针有明显颤抖现象，颤动频率是否与声响频率一致，暂无法定论，但这与声响应可能有必然的内在联系。 　　机组振动、摆度测量值： 　　组合轴承振动：0.01mm 　　水导轴承振动: 0.04mm 　　水导处大轴摆度: 0.10mm 　　转轮室振动-----水平: 0.03mm 垂直: 0.04mm 　　三、机组声响的成因探讨及现象解释 　　1、基本成因探讨 　　通常，水轮机在空载运行时，常会出现不稳定现象，除调速器品质之外，与水轮机的水 　　力方面因素有关，主要与叶型有关。一是叶片的扭角，二是叶栅稠密度。叶片扭角小，叶栅稠密度大的叶型，其空载运行稳定性要好一些。贯流机的转轮叶片数量相对较少（本机组是4叶片），叶栅稠密度较小，客观上其空载运行的稳定性较差。通俗解释，也就由于浆叶比较稀疏，对水流的制约作用小，流经浆叶的水流流态不是完全均衡，随之产生水力不平衡。 　　一号机组在空载额定转速下，手动改变浆叶的旋转角，试图改变协联工况消除声响，但没有效果。由此可知，“非协联工况”并不是空载时声响的主要根源。水轮机在空载运行时，由于导叶开度很小，进入水轮机的水流偏离最优工况较远。从叶型上考虑，由于水力设计因素，流经浆叶后的水流，形成周期性脉动紊流。该脉动紊流，既激振转轮浆叶，又扫击转轮室边壁，产生机组的异常声响。这种连续的脉动紊流通常称为“涡列”或“涡流”。 　　（A） 叶型涡列 　　 叶型涡列是水流流经叶片时发生脱流而引起的涡列，水轮机在非设计工况下运行叶片的绕流条件不良。此外，叶片出口边边界层从壁面分离，这两者导致转轮出口处形成脱流旋涡，旋涡在弹性叶片后面以非对称的形式上下交错地被释放到尾流中，即构成涡列，见图一。但这种涡列与常见的卡门涡列不完全相同。因为转轮浆叶在转动时，实际构成一组无限的移动 　　叶栅，转轮在旋转过程中，每一叶片的尾部水流都会被位于其后的旋转叶片所切断，亦即单个叶片的脱流要受到移动叶栅的影响。这种连续切断尾流的结果，会加速脱流的形成速度，增强涡列的强度。 　 图一 叶片的脱流和涡列示意图 随着涡列的不断出现，同时产生垂直于流向的交变侧向力，即不均衡的侧向力，这种交变侧向力作用于弹性叶片尾缘上。(注：对贯流式转轮的叶片结构形状，在力特性上，通常可作为一个弹性体考虑，就本电站机组的浆叶结构，尤显单薄，比国内生产的叶片在厚度上相对薄得多)。逐渐激起叶片尾部（浆叶出口边）的振荡，由于叶片尾部振荡的反馈作用，叶片附近的水流受到 　　激发和扰动。这种受到激发和扰动的水流，又会反作用于叶片上，增加叶上的周期性脉动压力，如此反复激励，使涡列不断增强，同时使叶片出口边产生大幅振荡。当某一叶片旋转到某一位置，由于边界条件的改变，受到激发和扰动的水流突然释放积累能量，或叶片振荡幅度发生突然变化，从而导致产生异常声响。 　　叶型涡列，本身具有较大的水力能量，涡列中的水流质团是以高频的不规则状态进行运动，涡列中的水质体是一个高能质团，一旦涡列的边界条件改变，就会以撞击的形式释放固有能量。如遇到转轮室边壁，亦可能发出类似金属撞击的声响。 　　 不论何种型式的水轮机，在非设计工况运行时，均会产生叶型涡列，但一般情况下，涡列脱离叶片后进入尾水管，并汇集成旋转状涡流带。旋转过程中可能不断扫动尾水管边壁，引起尾水管的压力脉动和振动,同时也产生周期性的声响。但在这一点上，城关机组的声响与之有本质的区别。 　　 尾水管内的涡带引起的振动具有以下特点： 　　A》涡列脱离叶片后汇集成运动涡带，并具有一个正向环量，也就是有一个与叶片转向相同的旋转速度量，这个环量使涡带形成螺旋状流向下游，同时涡带在旋转过程中不断扫动尾水管边壁。 　　B》尾水管内涡带的扫动频率相对较低，其周期与尾水管内的压力脉动基本相同。 　　据不完全统计，水轮机尾水管的压力脉动频率： 　　f S =（n H / 3）~（n H / 5） 　　城关电站机组的额定转速为100转/分。由些推算，尾管涡带的脉动频率的范围约是33至20次/分，明显低于转轮室实际声响频率，故可确定异常声响并非是由于尾水管压力脉动引起。在理论上，城关电站水轮机的声响与通常水轮机尾水管的压力脉动声响，都起源于叶型涡列，起源机理相似，但城关电站机组的反映现象、造成结果方面有质的区别。 　　本文认为浆叶出水边的涡列作用是机组的异常声响的基本根源。这些涡列在尚未进入尾水管形成低频旋转涡带前，由于浆叶振幅突变、或涡列扫击转轮室边壁时产生异常声响，由此产生的声响频率是与机组转速相同。当转速为88~104转/分时，“产生涡列---叶片激振----强化涡列”的相互作激励程度最强，声响噪音最强。 　　 从各种迹象推测，机组在额定空转状态时，估计四个浆叶中的一个叶片或二个叶片所产生的组合涡列为主导作用，否则声响频率将是机组转速的倍数关系，仅凭听觉难以区别。 　　（B）间隙涡列 　　 根据实践运行表明，在叶片外缘与转轮室之间的缝隙区域，其流态也是水轮机中最为不利的部位之一。曾对几种间隙形状进行了研究。并绘出了轴流式（同贯流式）转轮浆叶端部间隙形状和压力分布及流态曲线，如图二所示： 图二 贯流式浆叶端间隙形状和流态、压力分布示意图 图中（a）的A型间隙的断面形状不佳，在间隙进口处，因水流突然收缩，压力急剧下降，引起进口部分的强烈扰动及气蚀破坏。在间隙出口处，因水流突然扩散，引起脱流旋涡。而且在旋涡未远离之前，直接作用于叶片出口边壁和转轮室边壁，引起水力脉动和气蚀破坏。城关机组浆叶与转轮室间隙采用A型间隙。 　　图中（B）的B型间隙，也会产生很大的压力降。因其流道出口为扩散形，在出口处也会产生脱流旋涡引起出口处的水力脉动和气蚀。 　　图中（C）的C型间隙形状有较佳的流态和间隙压力分布，因进口有较大的半径的园弧，可以避免水流突然收缩引起的压力急剧下降，而平直的出口间隙可使可使出口脱流旋涡远离叶片边壁和转轮室边壁。 　　2、基本现象分析 　　 为查找声响原因的过程中，机组曾多次启动、多次流道检查。对所谓的磨擦区，即油漆剥落区的分布进行仔细观察，虽然每次脱落的具体位置并不完全重复，而变化不大。在分布上也有一个显著的特点，集中在转轮室的上方，在下部是小面积的星状分布。而且所有的油漆脱落区大都在浆叶空载开度时的投影区平面内（稍靠下游侧），而在浆叶转动范围以外的区域，也有局部较大的油漆剥落现象。 　　 经仔细观察，漆膜是成断裂状掉落，油漆的边界明显，边界基本上由相互垂直的短直线段组成，且无被削薄的迹象。此外，对油漆脱落后的金属表面仔观察，发现金属呈现新鲜光泽，工厂内的机加工刀痕清淅可辨，无任何刮擦、剂压或微小变形现象，周围漆层表面未发现有机械性的撞击痕迹。脱漆边界放大示意如图三所示。

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