燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因分析及應(yīng)對(duì)措施

劉康榮，孫小兵

（湖南省湘水集團(tuán)有限公司大源渡分公司，湖南 衡陽(yáng) 421200）

1 引言

貫流式水輪機(jī)是一種開(kāi)發(fā)低水頭水力資源的臥軸機(jī)組，適用于25 m 以下的水頭，其轉(zhuǎn)輪與軸流式相似，有轉(zhuǎn)槳和定槳兩種形式。機(jī)組運(yùn)行時(shí)水流在流道內(nèi)基本上沿軸向運(yùn)動(dòng)，因此具有較高的發(fā)電流量和水力效率。在所有的貫流式機(jī)型中，燈泡貫流式機(jī)組在大、中型貫流式機(jī)組中應(yīng)用最廣泛，故本文主要針對(duì)燈泡貫流式機(jī)組的特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究。

振動(dòng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行壽命影響很大，主要體現(xiàn)在金屬構(gòu)件、焊縫及連接螺栓的疲勞破壞上。俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站事故的主要原因，就是在振動(dòng)區(qū)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)致使機(jī)組劇烈振動(dòng)，頂蓋螺栓金屬疲勞斷裂，進(jìn)而引發(fā)一系列災(zāi)難性后果。國(guó)內(nèi)近年來(lái)也出現(xiàn)多起燈泡貫流式機(jī)組主軸軸頸裂紋、轉(zhuǎn)輪室裂紋、槳葉裂紋、導(dǎo)葉連桿斷裂等情況，因此控制機(jī)組振動(dòng)在允許范圍（詳見(jiàn)表1）以內(nèi)，是保障機(jī)組安全運(yùn)行的重要措施。

表1 燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)允許值

2 燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)分析

2.1 水力振動(dòng)

水輪發(fā)電機(jī)組依靠水流推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功，通過(guò)主軸將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。因此水力振動(dòng)是機(jī)組振動(dòng)的主要原因之一，其類型一般有渦帶振動(dòng)、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確、卡門渦、進(jìn)水水流紊亂、射流等。

2.1.1 渦帶振動(dòng)

貫流式機(jī)組進(jìn)水流道中水流流向?yàn)闄C(jī)組軸線方向，在通過(guò)導(dǎo)葉后產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)分量，此旋轉(zhuǎn)分量與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，與槳葉角度相反（見(jiàn)圖1）。根據(jù)向量的正交分解原理可知，旋轉(zhuǎn)分量比例與導(dǎo)葉開(kāi)度成反比關(guān)系，導(dǎo)葉開(kāi)度越大，導(dǎo)葉與上游來(lái)水方向的夾角越小，旋轉(zhuǎn)分量比例越??；反之，導(dǎo)葉開(kāi)度越小，旋轉(zhuǎn)分量比例越大。

圖2 卡門渦效果圖

在設(shè)計(jì)最優(yōu)工況下，水流的旋轉(zhuǎn)分量用于推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功被消耗掉，水流通過(guò)轉(zhuǎn)輪后在尾水管中的流向?yàn)檩S向。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷不在設(shè)計(jì)最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，尾水流會(huì)存在一定的旋轉(zhuǎn)分量，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)水流稱為渦帶。特別是在水頭較低且大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度接近開(kāi)限，水流通過(guò)導(dǎo)葉后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)分量很小，受槳葉反作用力作用產(chǎn)生與機(jī)組轉(zhuǎn)向相反的渦帶，此時(shí)尾水流道中水流很不穩(wěn)定，并產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，機(jī)組振動(dòng)隨之增大。

2.1.2 協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確

當(dāng)燈泡貫流式機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確時(shí)，易引起調(diào)速器系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)，機(jī)組負(fù)荷持續(xù)波動(dòng)，增加尾水流道中渦帶的產(chǎn)生，機(jī)組振動(dòng)隨之增大。而且，由于導(dǎo)葉的頻繁調(diào)節(jié)使水流產(chǎn)生“頓挫”，推力軸承處將出現(xiàn)較大的軸向振動(dòng)。如機(jī)組凈水頭測(cè)量不準(zhǔn)，協(xié)聯(lián)關(guān)系與實(shí)際情況不符，會(huì)加大運(yùn)行中機(jī)組的振動(dòng)；因機(jī)組導(dǎo)葉或槳葉失控失去協(xié)聯(lián)也將加大機(jī)組的振動(dòng)。

2.1.3 卡門渦[1]

卡門渦是流體繞過(guò)鈍型物體時(shí)，該物體后方會(huì)周期性地交替出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向相反、錯(cuò)落排列的雙列線渦，與此同時(shí)，物體也將受到與流向垂直的交變作用力。

導(dǎo)葉和槳葉在發(fā)電運(yùn)行時(shí)會(huì)在出水側(cè)后方出現(xiàn)卡門渦，并產(chǎn)生作用在葉片尾部的交變力，引發(fā)機(jī)組振動(dòng)。在交變作用力影響下，槳葉根部、導(dǎo)葉樞軸易產(chǎn)生疲勞裂紋，因此導(dǎo)葉、槳葉都設(shè)計(jì)成進(jìn)水邊厚、出水邊薄的形狀，以此降低卡門渦的影響。

如果導(dǎo)葉或槳葉的連桿關(guān)節(jié)軸承磨損嚴(yán)重導(dǎo)致間隙過(guò)大，則導(dǎo)葉或槳葉在卡門渦作用下會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步加大調(diào)速器振蕩和水流不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.4 進(jìn)水口水流不暢或攔污柵堵塞

在汛期，河水中的水草、垃圾較多，堆積在進(jìn)水口攔污柵前。如不及時(shí)清理，將堵塞攔污柵，使機(jī)組有效水頭降低，機(jī)組進(jìn)水口有可能產(chǎn)生立軸漩渦，惡化進(jìn)口流態(tài)，使進(jìn)水流道水流不完全是軸線方向，存在一定的亂流。受此影響，機(jī)組易出現(xiàn)工作水頭和負(fù)荷的波動(dòng)，引起調(diào)速器持續(xù)振蕩，從而振動(dòng)加大。

例如湖南某電站4 號(hào)機(jī)組，固定攔污柵靠近浮式攔污柵末端，汛期經(jīng)常出現(xiàn)垃圾堆積，不乏有大體積雜物，水頭損失最高超過(guò)1 m。且4 號(hào)機(jī)組左側(cè)為泄水閘擋墻，存在流動(dòng)死角，巡視時(shí)可見(jiàn)水流從3號(hào)機(jī)向4 號(hào)機(jī)流動(dòng)（機(jī)組前池共用，固定攔污柵安裝在前池前），在水面形成較大立軸漩渦。在同負(fù)荷情況下，4 號(hào)機(jī)組振動(dòng)明顯大于其他機(jī)組。

2.1.5 狹縫射流

在水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在槳葉和轉(zhuǎn)輪室之間的間隙中，會(huì)形成一股射流。由射流的流體特性可知，工作水頭越高，間隙越小，則射流的速度越高，射流邊緣的壓力越低。為減小射流中的微小氣泡的空化效應(yīng)所帶來(lái)的空蝕影響，通常槳葉在轉(zhuǎn)輪室側(cè)都有裙邊設(shè)計(jì)。在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)輪室壁受到射流-水流的循環(huán)作用，形成了周期性的空化效應(yīng)和壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)，可能導(dǎo)致疲勞破壞和表面汽蝕。常見(jiàn)有轉(zhuǎn)輪室壁出現(xiàn)疲勞性裂紋[2]，轉(zhuǎn)輪室外的漆膜局部剝落等現(xiàn)象。停機(jī)時(shí)導(dǎo)葉立面間夾有異物，導(dǎo)葉立面間隙產(chǎn)生的狹縫射流也會(huì)引起機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下的異常振動(dòng)并發(fā)出尖嘯聲。

2.1.6 存在的其他原因

各導(dǎo)葉、槳葉開(kāi)度不一致，過(guò)流面存在異物等情況都易引發(fā)水力不平衡，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的擺動(dòng)。

2.2 機(jī)械和電氣原因產(chǎn)生的振動(dòng)

（1）主軸撓度

目前燈泡貫流式機(jī)組最常用的結(jié)構(gòu)為雙支點(diǎn)雙懸臂型式，即水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共用同一根主軸，在主軸前后分別設(shè)置有水導(dǎo)軸承和發(fā)導(dǎo)軸承，轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)子均為懸臂結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不可避免會(huì)產(chǎn)生主軸撓度問(wèn)題，如果主軸剛度不夠或存在軸頸裂紋等原因?qū)е聯(lián)隙冗^(guò)大，會(huì)加大轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)的擺度，并使轉(zhuǎn)子氣隙不均勻，在電磁力的作用下加劇機(jī)組振動(dòng)。

主軸撓度可按以下公式進(jìn)行計(jì)算[3]：

W：撓度；

P：轉(zhuǎn)子/轉(zhuǎn)輪重量；

l：轉(zhuǎn)子/轉(zhuǎn)輪中心至導(dǎo)軸承距離；

E：主軸的彈性模量；

I：主軸截面慣性矩，對(duì)于空心軸，計(jì)算式為：其中D：主軸外徑；d：主軸內(nèi)徑。

以某電站轉(zhuǎn)輪為例，轉(zhuǎn)輪重量P=805 kN，轉(zhuǎn)輪中心至水導(dǎo)軸承距離l=2 375 mm，主軸外徑D=980 mm，內(nèi)徑d=200 mm，彈性模量E=206 GPa，代入上式計(jì)算可得轉(zhuǎn)輪側(cè)撓度約為0.39 mm。

（2）機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分存在動(dòng)不平衡，或者制造、安裝工藝質(zhì)量低，無(wú)法滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)偏大。

（3）定子鐵心、線棒，轉(zhuǎn)子磁極出現(xiàn)位移或松動(dòng)，電磁力變化使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)組轉(zhuǎn)速、電流大小對(duì)振動(dòng)的強(qiáng)弱影響較為明顯。

（4）緊固件出現(xiàn)松動(dòng)，固定部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件由于摩擦而導(dǎo)致振動(dòng)，這種振動(dòng)一般較大，且會(huì)伴隨著出現(xiàn)金屬撞擊聲（例如槳葉掃膛）。

2.3 機(jī)組振動(dòng)原因的判定

由于水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)基本上是水力、機(jī)械、電磁等各種因素共同產(chǎn)生的，因此要從現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)頻率、開(kāi)度和負(fù)荷變化情況、振動(dòng)聲響等方面綜合判斷其主要原因，一般可參考以下幾點(diǎn)：

（1）振動(dòng)頻率低，頻率和振幅隨導(dǎo)葉開(kāi)度和機(jī)組發(fā)電負(fù)荷變化而變化，可能為水力因素產(chǎn)生的振動(dòng)。

（2）振動(dòng)波形頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同，可能為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械部件問(wèn)題引起的振動(dòng)，如轉(zhuǎn)輪或轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡、軸線偏差、局部間隙過(guò)小等。

（3）主要振動(dòng)頻率與電網(wǎng)頻率成倍數(shù)關(guān)系[1]，則主要原因可能為電磁因素產(chǎn)生的振動(dòng)。

3 機(jī)組振動(dòng)的應(yīng)對(duì)措施

（1）燈泡貫流式機(jī)組由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，機(jī)組發(fā)電性能好且振動(dòng)小，水能利用效率高；機(jī)組作動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)組穩(wěn)定性差，水力振動(dòng)大。因此，燈泡貫流式機(jī)組應(yīng)盡量避免機(jī)組較長(zhǎng)時(shí)間參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制或頻繁調(diào)節(jié)負(fù)荷（例如投入AGC、一次調(diào)頻等功能）。

（2）電站可通過(guò)機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)，劃定機(jī)組振動(dòng)區(qū)，并將其寫入機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)程序，運(yùn)行中自動(dòng)避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)。建設(shè)機(jī)組振動(dòng)、擺度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并定期校驗(yàn)傳感器，確保在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。運(yùn)行人員監(jiān)盤時(shí)如發(fā)現(xiàn)振動(dòng)偏高，應(yīng)及時(shí)調(diào)整負(fù)荷，避開(kāi)振動(dòng)區(qū)間。

（3）機(jī)組投產(chǎn)后，應(yīng)在廠家提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線基礎(chǔ)上做協(xié)聯(lián)關(guān)系校驗(yàn)試驗(yàn)，對(duì)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線進(jìn)行修正，并將其錄入調(diào)速系統(tǒng)，作為水輪機(jī)協(xié)聯(lián)運(yùn)行的依據(jù)。

定期校驗(yàn)機(jī)組凈水頭測(cè)量裝置，保證其測(cè)量精度，防止水頭不準(zhǔn)造成導(dǎo)葉、槳葉在實(shí)際水頭下失去協(xié)聯(lián)；同時(shí)對(duì)凈水頭程序進(jìn)行優(yōu)化，手動(dòng)水頭信號(hào)設(shè)定值跟隨自動(dòng)水頭同步刷新，在凈水頭信號(hào)突變時(shí)自動(dòng)水頭與手動(dòng)水頭的無(wú)擾動(dòng)切換，防止負(fù)荷和導(dǎo)葉開(kāi)度突變。

（4）做好技術(shù)監(jiān)督工作，定期對(duì)主軸軸頸、槳葉根部、導(dǎo)葉、重要螺栓及焊縫等進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

由于燈泡貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室與尾水管之間設(shè)置有伸縮節(jié)，為非剛性連接，因此導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外配、轉(zhuǎn)輪室可看作支點(diǎn)為外管型殼的懸臂結(jié)構(gòu)。國(guó)標(biāo)中未對(duì)燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)值作出明確規(guī)定，但轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全影響極大，一般情況下，轉(zhuǎn)輪室也是機(jī)組受水力振動(dòng)影響最大的部位，因此轉(zhuǎn)輪室各連接螺栓、結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)是無(wú)損檢測(cè)的重點(diǎn)部位。

（5）機(jī)組檢修時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)易受振動(dòng)損害、易松動(dòng)部件的檢查。每年應(yīng)測(cè)量機(jī)組大軸上抬量和軸向竄動(dòng)量，如果存在機(jī)組軸線不正，應(yīng)該在檢修期間調(diào)整軸瓦和軸線來(lái)糾正。手動(dòng)盤車檢查時(shí)，如出現(xiàn)自轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，則表明存在動(dòng)不平衡，可考慮通過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)采取轉(zhuǎn)子配重的方法消除。機(jī)組檢修時(shí)還應(yīng)對(duì)槳葉竄動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量，竄動(dòng)量超標(biāo)時(shí)及時(shí)更換槳葉樞軸銅套和抗磨環(huán)。測(cè)量和調(diào)整導(dǎo)葉立面和端面間隙，調(diào)整接力器壓緊行程，并保證在規(guī)范要求范圍內(nèi)。檢查導(dǎo)葉連桿關(guān)節(jié)軸承磨損情況，視情況更換。

（6）汛期來(lái)水較大，尾水位較高的情況下，應(yīng)根據(jù)機(jī)組振動(dòng)情況適當(dāng)降低機(jī)組出力，減小水力振動(dòng)。及時(shí)檢查和清理固定攔污柵前垃圾，既可以降低水流紊亂帶來(lái)的振動(dòng)，也可以消除水頭損失，提高發(fā)電效益。浮式攔污柵布置方式進(jìn)行優(yōu)化，將其另一端盡量往弧門側(cè)進(jìn)行延伸，加大其覆蓋水面，避免水流在經(jīng)過(guò)浮式攔污柵端部時(shí)將污渣集中堆積在該處的固定攔污柵前，造成該機(jī)組進(jìn)水口流態(tài)紊亂。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，隨著水電在電力系統(tǒng)所占比重的增加，水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性也隨之提高。振動(dòng)是影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，因此，機(jī)組振動(dòng)情況是每個(gè)電站都應(yīng)該研究和控制的技術(shù)課題。

機(jī)組出現(xiàn)了異常振動(dòng)，要運(yùn)用科學(xué)的試驗(yàn)和分析方法，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析異常振動(dòng)的原因，進(jìn)行針對(duì)性的處理。機(jī)組一旦出現(xiàn)超過(guò)允許值的振動(dòng)，應(yīng)盡快調(diào)整機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，減少其振動(dòng)值，甚至停運(yùn)機(jī)組并進(jìn)行搶修，以防機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重破壞性事故的不良后果。要第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)異常，則依賴于及時(shí)有效的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只有嚴(yán)密監(jiān)測(cè)和掌握機(jī)組的工作狀況，才能保障機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。