水轮发电机组异常声响成因探讨(2)

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：

fS＝（nH／3）￣（nH／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：

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。

由此判断，脱漆现象主要是间隙涡列产生的间隙气蚀作用，其次是叶型涡列撞击转轮室时将漆膜击落。从图二（A）中看出,水流经浆叶间隙,在间隙后部产生一个负压区，但浆叶是在连续转动，当浆叶未扫过时的压力又是较高的正压，这样使漆膜受到交变压力的作用，致使漆膜与金属表面脱开.尤其是在负压的作用下将漆层拉断吸落。另外由于叶型外缘的涡列作用，不断扫击转轮室边壁，也加速漆膜的脱落。由于漆膜的脆性,及机械加工刀痕的影响,所以脱漆边界大都是与刀痕方向平行或垂直。

由于机组运行时间较短，因此只是暴露出金属表面,间隙气蚀的破坏后果尚未显露。至于只发生在转轮室上部的原因，在产生间隙涡列的同时也产生间隙气蚀，由于卧式灯泡贯流机组，因直径较大,转轮上部与下部的淹没深度差别显著，转轮室上部的气蚀性能较下部差得多，因此上部的间隙气蚀破坏为烈。

3、在浆叶转动区外的转轮室边壁脱漆现象

在机组的检查过程中，浆叶转动区外的转轮室边壁有星状的掉漆现象。主要应从贯流机组结构，尤其是转轮室形状进行分析。主要是转轮室与浆叶的转动区为球形状，浆叶与转轮室间隙产生涡列，随水流后移，部份涡列直接撞到转轮室的后部，从而产生落漆现象。浆叶出水边外缘产生的涡列出于同样原因，也会造成浆叶转动区外的转轮室边壁产生落漆现象。

4、气蚀声响与异常声响的关系

气蚀在形成的机理上是一种复杂的物理、化学现象，同时与水的汽化压力和水中空气含量、水的表面张力等因素有关。严重的气蚀会破坏水轮机转轮和尾水管等过流部件，并在尾水管内产生强烈的周期性噪声和振动，使水轮机运行不稳定。

但从城关电站机组异常声响的特征判别，并不是由于气蚀所产生，而是不平衡脱流涡列所造成，气蚀与异常声响之间不存在直接的因果关系，气蚀所造成的破坏是微观量的破坏，气泡破裂撞击金属表面是随机性的，因此所产生的声响也是无规则的。
四、异常声响与发电机电磁埸的关系

一号机在启动程序试验过程中，发现一个特殊现象，当发电机做短路试验，励磁电流达到一定值时、或机组并网后，异常声响聚然消失。这说明电磁埸对机组的异常声响有着直接的关系。

水轮发电机组根据物理性能可分为四个系统：

1,水流系统2,机械转动系统（弹性振动系统）3,机械固定系统4，电磁系统

机组的转动部分,包括转子、主轴、转轮、浆叶等。由于其相对刚度较低，在实际上是一个弹性振动系统。

由于水流所激发的机组的各种机械性振动（或异常声响），其特点是振动体的一部分或全部位于流体中，因而它不是一个孤立的机械系统。也就是说,在产生振动过程中，流体与振动体以及电磁埸之间存在相互作用,相互影响。因此，只有将（水体—弹性振动系统—电磁）三者作为关连系统来研究，才能反映问题的本质，才能解释机组加上励磁电流后异常声响消失的原因。

在理论上以及实际运行中，以下情况可造成电气方面的机组振动：

1）周期性磁拉力分量；

2）转子与定子之间有不均匀的气隙引起的作用力；

3）转子短路时引起的作用力；

4）发电机在不对称负荷下运行时产生的力；

但对于城关电站机组而言，电气方面的因素并非造成机组的振动，而是以上第1）及2）条因素，对水轮机弹性系统和水流系统的振动频率产生干扰作用.改变了在84￣108转速下，浆叶的激振频率，从而改变了异常声响的形成条件。

五、异常声响主导因素小结

通过以上分析，城关电站机组的异常声响的主导成因可归纳为：

1）由于水轮机的导叶和浆叶处于小开度时，水轮机运行工况点远离设计工况点，浆叶出口处产生叶型涡列，涡列与弹性浆叶相互激励，并使浆叶达到较大的振幅值，一旦边界条件改变或外部因素的干扰，导致振幅突变，从而发出声响。