帕圖卡Ⅲ水電站水輪機活動導葉振動原因分析與處理

梁明華，任中秋，丁 新

(中國水利水電十一局，河南 鄭州 450001)

0 引 言

水輪發(fā)電機組在運行時出現振動是非常普遍的現象，也是不能完全避免的；其產生的原因主要來自于設計、制造、安裝、運行時電網穩(wěn)定程度等多個方面。通過對比近年來多座水電站機組運行情況，發(fā)現其大部分主要是制造缺陷、安裝精度不足等導致；本文涉及的卡門渦問題，就是其中之一。

卡門渦引發(fā)水輪機共振問題，在前些年國內某些電站也多次出現過。近年來，隨著國內學者以及水輪發(fā)電機組生產廠家對這一問題的深度研究，卡門渦共振問題出現頻次逐漸減少。當然，這只是在制造前期根據預設的相關參數提出針對卡門渦的預估模型，再通過優(yōu)化設備結構形式盡可能降低卡門渦出現的可能性。

水力學因素對水輪機的影響效果是非常復雜的，在建模分析時受到研究者能力、經驗等的影響，并不能百分之百避免卡門渦共振問題。出現卡門渦共振后結合實際數據再對原始模型進行研究分析，必要時對結構進行修磨就顯得尤為重要。

1 概 述

洪都拉斯帕圖卡Ⅲ(Patuca Ⅲ)水電站裝有2臺額定功率為52 MW的軸流轉槳式水輪發(fā)電機組，水輪機型號為ZZD845—LJ—455。設計水頭36.5 m，最小水頭30.4 m，最大水頭45m，額定流量159.2 m3/s,機組額定轉速163.6 r/min。水輪發(fā)電機組在運行時出現高負荷振動區(qū)，即當發(fā)電機輸出有功為額定80%以下時機組運行穩(wěn)定；但輸出功率超過這個值并逐漸接近額定輸出時，在發(fā)電機層逐漸出現高頻振蕩的共鳴聲；同時伴隨有發(fā)電機層樓板靠近機組處以及欄桿等處出現振動。

機組運行時，聽見或感覺到異常振動，一般第一反應就是看機組測振測擺數據是否超標，在這里也是一樣。當首臺機組出現共振時通過機組在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現上導、下導、水導、頂蓋等處振動幅值均小于25 μ，各處擺度也都合格(見圖1)。

頂蓋處振動 下機架處振動

利用UT315A便攜式測振儀檢查機組上下機架、定子機座、頂蓋等處其振動規(guī)律與在線監(jiān)測系統(tǒng)得到的數據一致，停機檢查機組各個部位連接處也都正常。再次開起機組達到滿負荷時，通過對水輪機逐一排查發(fā)現24個活動導葉中靠近+Y方向部分導葉拐臂處振動遠超其他導葉。針對這一情況，現場運行人員架設百分表進一步監(jiān)測，發(fā)現正常導葉處表針幾乎不動，在出現振動導葉拐臂處表針出現了0.05～0.08 mm的高頻振動。自此，振動源被鎖定在這幾個活動導葉處。

第二臺機組帶負荷運行時，過程與上述一致，同樣也在靠近+Y處發(fā)現有幾個活動導葉出現高頻振動。為了得到更為準確的振動特征數據，在現場使用了UT315A型號的便攜式測振儀，主要監(jiān)測活動導葉軸頭處的振動位移波形和頻譜；因為這種設備的側頭帶頭磁性吸座，測量時只需將側頭吸附在活動導葉軸頭處即可。

最終得到的結果：1號機組振動活動導葉的數量為3件，位置為自機組+Y軸起順時針方向連續(xù)的3件；其中位于中間的1件活動導葉較兩側的2件振動更強烈。2號機組振動活動導葉數為10個，在機組+Y軸兩側對稱分布，振動現象沒有1號機組強烈。另外，當機組出力超過80%負荷(42 MW)后，部分活動導葉出現激烈振動的現象，伴隨著出力的增加，振動感變強。

2 原因分析

對于這種情況的出現，首先考慮的是水輪機固定導葉處卡主異物，異物在水流的沖擊下產生振動再帶動導葉出現同步振動。為了驗證這一說法，根據檢修流程對水輪機流道內部分進行了詳細檢查，結果并未發(fā)現任何異物；并且與之相關的各處連接牢固無螺栓松動的情況出現。

在查閱國內外文獻資料中發(fā)現同類問題也在其他水電站出現過，也就是卡門漩渦導致的水輪機導水機構出現高頻振動。對比卡門漩渦出現的機理，基本把問題出現的原因鎖定在導葉出現的卡門渦振動，只是要最終確定下來還需要進一步驗證；畢竟要處理它是需要在水輪機關鍵部件上實施破壞的，因此這一步需要特別謹慎。

水流繞過物體時,在出水邊的兩側出現漩渦,形成旋轉方向相反、有規(guī)則交錯排列的旋渦,進而互相干擾、互相吸引,形成非線型的渦街即卡門渦街。當卡門渦街的沖擊頻率接近于轉動體葉片的固有頻率時,將產生共振,物體發(fā)生頻率比較單一的振動并伴有噪音和金屬共鳴音。

也就是說，導葉要出現卡門渦振動需要具備的前提條件是導葉自身的固有頻率恰好和當前工況下出現的漩渦振動頻率一致。為了驗證二者是否會出現頻率吻合，由水輪機生產廠家在其建立好的模型上進行模擬及有限元分析。在分析其數據時發(fā)現無論水流速如何，活動導葉及固定導葉的固有頻率始終維持不變，但是隨著水流速的增加，卡門渦脫開導葉出水邊時的振動頻率卻是在不斷非線性增長。也就是說，有向導葉固有頻率不斷靠近的趨勢，并且當水流速接近額定流速時，卡門渦的振動頻率保持穩(wěn)定且與導葉固有頻率基本吻合。也就是說，對于本項目的水輪機來講，理論上分析卡門渦引起的導葉振動這一說法是成立的。

3 處理過程分析

根據前面的分析，要想避開卡門渦振動，可以考慮破壞卡門漩渦脫開導葉出水邊時的頻率或者改變導葉固有頻率。眾所周知，剛性體的固有頻率由其自身材質和結構特性決定，但是導葉是水輪發(fā)電機組中調節(jié)負荷的心臟部位，其質量、形狀、材質不宜做大的改變，因此改變活動導葉固有頻率的方案不予考慮。那么在現有基礎上改變卡門漩渦脫開導葉出水邊時的頻率就作為首選方式。

卡門渦街頻率經驗公式：f=S×v/d

式中，v為接近繞流物體前的流速，針對導葉葉片為相對流速;S為斯特努哈數，取經驗值為0.22～0.23;d為垂直于液流方向，流體形成脫流尾跡處的最大寬度。

公式f=S×v/d中可變量v和d分別對應于水輪機導葉出水邊的水流速度和導葉出水邊厚度，v和d改變任何一個變量均可改變卡門渦街頻率，破壞導葉固有頻率和卡門渦街頻率的耦合而帶來的共振。而水輪發(fā)電機組要達到一定負荷就需要相應水頭下達到一定流量，在水輪機流道已經固定的前提下，水流速度v基本不會改變；相對容易改變是導葉出水邊的厚度d。因此，將通過對導葉出水邊修型處理作以改變導葉出水邊的厚度d的方法作為消除帕圖卡Ⅲ水電站活動導葉振動的方案。

另外，需要注意的是：活動導葉的卡門渦街和活動導葉固有頻率耦合發(fā)生共振從而產生振動；另外水輪機導葉又分為固定導葉和活動導葉，在機組大負荷運行狀況下固定導葉和活動導葉間距很小，不能排除固定導葉的卡門渦街作用于活動導葉使活動導葉共振而發(fā)生振動現象。

當然，修型方式主要依托水輪機廠家的建模分析，即通過模擬修型計算卡門渦頻率變化來得到各次的修型方案。為此，分為3步對導葉進行修型處理以驗證前面的各項結論。

(1)選擇1號機作為此次驗證對象，首先選擇2塊固定導葉在其平面?zhèn)韧ê?0 mm×5 mm扁鐵(見圖2)。

圖2 在固定導葉平面?zhèn)韧ê副忤F

再次啟動機組達到額定負荷時發(fā)現振動情況沒有任何改善，表明此種方式不可行。

(2)分別選擇1號機組2塊振動的固定導葉及2塊活動，但是這次采用增加導葉寬度及縮小出水邊厚度的方式，即在出水邊段焊通常的楔形鋼板條(見圖3)。

圖3 出水邊段焊楔形鋼板條

再次啟動機組達到額定負荷時發(fā)現焊接了楔形板條的固定導葉振動明顯減弱，利用便攜式測振儀檢測其振動幅值不大于0.02 mm，表明此種方式可行。但是，活動導葉的振動是否由固定導葉引發(fā)，這一觀點仍然得不到印證。

(3)第三次選擇磨掉固定導葉上的楔形條，活動導葉上的保持不變，再次啟動機組并帶額定負荷后發(fā)現活動導葉的振動較第二次處理條件下有加強的趨勢；利用便攜式測振儀檢測器振動幅值為0.03 mm，個別時間會達到0.04 mm，這說明固定導葉的振動對活動導葉是有一定影響的。

為了進一步優(yōu)化處理效果，固定導葉就采用上述第一步的方式焊接加寬楔形條，活動導葉則在上述實驗的基礎上再次進行建模及有限元分析，最終確定活動導葉修型方式(見圖4)。

圖4 活動導葉修型方式

需要注意的是：在現場焊接時需要嚴格執(zhí)行焊接工藝，保證焊接變形在可控范圍內，焊后嚴格執(zhí)行探傷檢查；焊道處打磨光滑以保證活動導葉立面封水邊的封水質量。

4 處理結果及結論

通過上述處理方法對本項目2臺機組的振動導葉進行了修型處理，通過檢測發(fā)現振動現象已消除，對卡門渦導致的導葉振動處理結果達到了預期。為了更加直觀的體現出處理前后振動的變化趨勢，這里將處理前后的振動實測數據歸納如下所示(見圖5)。

至此，卡門渦引起的機組活動導葉振動問題已全部處理完畢。通過現場實測結合理論數據、模型分析對比分析加速了查找問題根源的速度，提高了現場問題的解決效率。

對固定導葉及活動導葉出水邊進行修型可破壞原有卡門渦振動與導葉固有振動之間的高度擬合，從而消除卡門渦共振問題，使得機組運行更趨于平穩(wěn)?？ㄩT渦振動問題對于水輪機導葉這類繞流結構是不可避免的，但是在機組前期建模分析及結構設計過程中通過嚴謹的有限元分析及結構優(yōu)化(尤其是導葉脫流區(qū)域的幾何形狀優(yōu)化)可最大限度地降低卡門渦共振出現的可能性。