水轮发电机组异常声响成因探讨(1)

1、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：100R／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：348.7R／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。

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。