土耳其甘然電站水輪機(jī)異常噪音問題分析和處理

杜世平

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100）

土耳其甘然電站水輪機(jī)異常噪音問題分析和處理

杜世平

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100）

土耳其甘然電站21MW水輪發(fā)電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)在部分負(fù)荷存在異常的金屬嘯叫聲音，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為是卡門渦共振引起的聲音異常，同時(shí)兩個(gè)葉片出現(xiàn)裂紋，經(jīng)強(qiáng)迫補(bǔ)氣后，異常聲音消除，本文詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)和分析過程，為其他電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考經(jīng)驗(yàn)。

土耳其；甘然；卡門渦異常；聲音；嘯叫

1 電站概況

土耳其甘然電站位于土耳其Batman市Kozluk鎮(zhèn)附近，安東尼奧地區(qū)的GARZAN河上，電站安裝兩臺單機(jī)容量為21.015MW的立軸混流式機(jī)組。應(yīng)用11/154kV的變壓器，通過154kV架空電纜聯(lián)接系統(tǒng)。水輪機(jī)進(jìn)水蝶閥直徑2.2m，調(diào)速器采用BYWT-9000-16高油壓分離式調(diào)速器。電站海拔高度大約800m。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)表

2 水輪機(jī)主體結(jié)構(gòu)

土耳其甘然電站轉(zhuǎn)輪采用國內(nèi)先進(jìn)的X型葉片轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)效率達(dá)到95.2%，穩(wěn)定性好，適應(yīng)于水頭變幅較大電站，該轉(zhuǎn)輪已在多個(gè)電站成功運(yùn)行。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)13片，轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)和葉片材料均為ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼，數(shù)控加工成型，在制造廠內(nèi)進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

主軸密封采用無接觸泵板密封，在轉(zhuǎn)輪上冠處設(shè)有12個(gè)直泵葉片，頂蓋設(shè)有12個(gè)DN50的排水管，12根排水管匯總成一根排水總管，接入尾水管。頂蓋排水管總面積為止漏環(huán)漏水面積的5.6倍。通過這套系統(tǒng)可以將轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)處的漏水排至尾水管，確保主軸密封處不漏水。

為減小轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)處漏水，在轉(zhuǎn)輪上冠處同時(shí)設(shè)有梳齒型小間隙密封，為兼顧安裝檢修和防止高水頭止漏環(huán)自激震蕩兩個(gè)因素，止漏環(huán)處單邊間隙設(shè)計(jì)1.1～1.3mm，梳齒密封單邊間隙設(shè)計(jì)1.0～1.1mm。

為削弱尾水管渦帶對水輪機(jī)產(chǎn)生的危害，改善水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，尾水管設(shè)計(jì)采用了短管式自然補(bǔ)氣方式，在尾水錐管上部設(shè)有4個(gè)DN90的補(bǔ)氣短管，匯總為DN100總管接入廠房外大氣。

3 電站異常聲音問題

土耳其甘然電站于2013年1月完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后投入商業(yè)運(yùn)行。自運(yùn)行以來，機(jī)組出力滿足設(shè)計(jì)要求，瓦溫低、振動擺度正常，但機(jī)組在13～18MW區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常的金屬嘯叫聲音，在此負(fù)荷區(qū)域以外聲音正常，2臺機(jī)組均存在異常聲音的問題，強(qiáng)度略有區(qū)別。在運(yùn)行至12月例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)1號機(jī)組轉(zhuǎn)輪兩個(gè)葉片出現(xiàn)貫穿性裂紋，從轉(zhuǎn)輪出水邊中下部向內(nèi)延伸，長度約150mm，出水邊裂紋導(dǎo)致葉片斷面錯(cuò)位。

4 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析

引起水輪機(jī)發(fā)出金屬嘯叫聲音的原因有很多種，總體來說可能有金屬摩擦聲、補(bǔ)氣管路流速過快通過小間隙導(dǎo)致的蜂鳴聲、尾水管渦帶本身的聲音、水輪機(jī)水力部分原因包括卡門渦和葉道渦聲音、轉(zhuǎn)頻與其它機(jī)械固有頻率接近產(chǎn)生共振的聲音（如軸承端蓋），以及頂蓋管路排水不暢存在氣液兩項(xiàng)流引起的聲音等等。為能分析確定聲音產(chǎn)生的原因，在現(xiàn)場進(jìn)行了各種比對實(shí)驗(yàn)。

圖1 葉片裂紋位置示意圖

圖2 葉片裂紋現(xiàn)場圖

4.1 變水頭實(shí)驗(yàn)

電站初期運(yùn)行在高水頭附近，蝸殼進(jìn)口壓力1.05MPa，出現(xiàn)異常聲音的負(fù)荷區(qū)在13～18MW，枯水期運(yùn)行在低水頭附近，現(xiàn)場測試蝸殼進(jìn)口壓力0.776MPa，異常聲音區(qū)域?yàn)?1～15MW。說明隨著水頭增高，異常聲音的負(fù)荷區(qū)域也增大，一般判定這種異常聲音和水輪機(jī)流動有關(guān)。

4.2 補(bǔ)氣量調(diào)整實(shí)驗(yàn)

一般在40%～70%負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)尾水管存在渦帶，由于尾水管渦帶的強(qiáng)烈擾動，或其頻率與機(jī)組固有頻率重合而產(chǎn)生共振，將引起機(jī)組振動或者負(fù)荷擺動，同時(shí)也會產(chǎn)生噪音。另外高速氣流通過小間隙區(qū)域也會產(chǎn)生金屬的嘯叫聲。尾水管補(bǔ)氣裝置的作用就是在出現(xiàn)這種工況時(shí)，補(bǔ)入空氣借以吸振同時(shí)降低渦帶強(qiáng)度，改善機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

據(jù)電站反應(yīng)，在增加補(bǔ)氣量后異常聲音有所改善，為驗(yàn)證補(bǔ)氣量的影響，進(jìn)行了補(bǔ)氣量調(diào)整試驗(yàn)。試驗(yàn)前將補(bǔ)氣閥完全拆除，以實(shí)現(xiàn)最大補(bǔ)氣量。試驗(yàn)在采用全部關(guān)閉補(bǔ)氣管、全部開啟以及部分開啟補(bǔ)氣管方式下，進(jìn)行了變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過多輪反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)氣量的改變對水輪機(jī)出現(xiàn)異常聲音的負(fù)荷區(qū)域以及聲音強(qiáng)度沒有任何影響，依舊是在11～15MW區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常金屬嘯叫聲且聲音強(qiáng)度沒有變化。

此試驗(yàn)證明異常聲音不是來自尾水管渦帶，也不是產(chǎn)生在補(bǔ)氣管道內(nèi)。

4.3 頂蓋排水實(shí)驗(yàn)

甘然電站采用的是泵板密封結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)處的漏水通過泵板匯入12個(gè)DN50的頂蓋排水管，再匯入DN200的頂蓋排水總管，接至尾水管。考慮到電站初期運(yùn)行時(shí)，上止漏環(huán)出漏水較少，同時(shí)電站又將頂蓋排水總管接入了尾水錐管上段，這樣有可能會出現(xiàn)頂蓋排水管路氣液混雜現(xiàn)象，管路里的氣液兩項(xiàng)流也會產(chǎn)生異常聲音，此類現(xiàn)象在其它電站發(fā)生過。

現(xiàn)場試驗(yàn)將頂蓋排水總管直接接入集水井，運(yùn)行中保證頂蓋排水管路全部充滿水，試驗(yàn)結(jié)果表明水輪機(jī)異常聲音與頂蓋排水管路沒有關(guān)系。

4.4 強(qiáng)迫補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)

在以上試驗(yàn)過程中，同時(shí)檢查了水輪機(jī)主軸、頂蓋、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、軸承及管路，機(jī)組的振動擺度以及瓦溫都很好，完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，首先排除了因金屬摩擦引起異常聲音的可能性。至此，初步懷疑水輪機(jī)內(nèi)部的流體運(yùn)動應(yīng)該是產(chǎn)生異常金屬聲音的根源，即卡門渦或者葉道渦，渦帶頻率與葉片某一階固有頻率一致，使葉片共振產(chǎn)生金屬的嘯叫聲，同時(shí)葉片的振動導(dǎo)致葉片出水邊中間位置撓度最大，產(chǎn)生裂紋。

4.4.1 葉道渦

當(dāng)水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況時(shí)，在轉(zhuǎn)輪葉片間可以看到有一連串的渦束沿著兩個(gè)葉片間流出，這就是葉道渦。葉道渦起源于偏離最優(yōu)工況后轉(zhuǎn)輪上冠進(jìn)口處的脫流。在高水頭時(shí)，脫流發(fā)生在上冠葉片進(jìn)口的背面，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)計(jì)水頭時(shí)，脫流發(fā)生在葉片正面進(jìn)口邊。從葉道渦產(chǎn)生的水力原理看，與尾水管渦帶一樣，所有混流式水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況后，必然要發(fā)生葉道渦。葉道渦的頻率與轉(zhuǎn)頻一致，而甘然電站出現(xiàn)的異常聲音發(fā)生在部分負(fù)荷，與轉(zhuǎn)頻無關(guān)，因此可以判定異常聲音不來自葉道渦。

4.4.2 卡門渦

流體在經(jīng)過非流線型物體或者具有出流厚度的流線型物體時(shí)，尾跡部分會產(chǎn)生兩列左右對稱、交替排列、旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，這就是卡門渦。由于卡門渦是交替從出流物體尾部排出，因此對出流物體會產(chǎn)生一個(gè)周期作用力。當(dāng)卡門渦頻率與葉片某一階頻率一致時(shí)，就會產(chǎn)生共振從而導(dǎo)致葉片裂紋及異常聲音?？ㄩT渦的頻率與流速和分離點(diǎn)厚度有關(guān)，具體公式如下∶

d——分離點(diǎn)的厚度，m；包括分離點(diǎn)物體厚度和分離點(diǎn)邊界層厚度；經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片出口的卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪水下固有頻率比較接近，因此可以初步判定葉片卡門渦是誘發(fā)異常聲音和葉片裂紋的原因。

4.4.3 頂蓋強(qiáng)迫補(bǔ)氣

在導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的位置上，接入0.9MPa的壓縮空氣，用以破壞葉片卡門渦的形成。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)負(fù)荷為11MW時(shí)，補(bǔ)入少量壓縮空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪后，異常聲音立即消除，隨后進(jìn)行多次變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，異常聲音均不再出現(xiàn)，證明葉片出口卡門渦與葉片共振是產(chǎn)生異常的金屬嘯叫聲音的原因，問題得以解決。

從卡門渦頻率計(jì)算公式分析，解決問題的另一種方法是修改葉片出水邊型線，減少葉片出水邊流體分離點(diǎn)的厚度，從而提高卡門渦的頻率，以避開與轉(zhuǎn)輪共振頻率。從國內(nèi)其他電站的處理經(jīng)驗(yàn)看，這是一個(gè)較好的處理方法，但是限于甘然電站正處于發(fā)電任務(wù)期間，該項(xiàng)解決措施待今后進(jìn)一步實(shí)施驗(yàn)證。

5 結(jié)論

近些年來，隨著轉(zhuǎn)輪研發(fā)技術(shù)的提高，轉(zhuǎn)輪性能特別是效率有了大幅度的提高。但是轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性問題依然突出，特別是在大型機(jī)組上。一般中小型電站由于機(jī)組剛度較好，水流較為穩(wěn)定，很少發(fā)生異常聲音及葉片裂紋等問題，土耳其甘然電站在初期運(yùn)行就出現(xiàn)異常噪音，說明中小型水輪機(jī)的穩(wěn)定性依然值得重視?，F(xiàn)場經(jīng)過比對試驗(yàn)，確定是葉片出口卡門渦與葉片共振產(chǎn)生異常金屬聲音，此問題的分析解決也為今后中小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)及電站運(yùn)行提供一定的參考和借鑒作用。

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TK730.8

B

1672-5387（2014）02-0058-03

2013-12-31

杜世平（1976-），女，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。