東江水電站水輪機水力振動的形成及其影響分析

胡磊

東江水力發電廠 湖南資興 423403

1 小東江水電站的概況

小東江水電站位于湖南省資興市境內的湘江支流耒水上游資興境內，裝有單機容量7.0MW軸流定槳式機組兩臺、20.5MW轉漿式機組2臺，總裝機容量為50MW,該電站只用于發電，不承擔防洪、航運、灌溉等其他任務，對洪水無調節作用。

2 軸流定槳式水輪機的結構特點：

軸流式水輪機與混流式水輪一樣屬于反擊式水輪機，二者結構上最明顯的差別是轉輪，其次是導葉高度。軸流式水輪機用于開發較低水頭（3m-55m），較大流量的水能資源。它的比轉速大于混流式水輪機，屬于高比轉速水輪機。在低水頭條件下，軸流式水輪機與混流式水輪機相比較具有較明顯的優點，當它們使用水頭和出力相同時，軸流式水輪機由于過流能力大可以采用較小的轉輪直徑和較高的轉速，從而縮小了機組尺寸，降低了投資。軸流轉槳式水輪機，由于槳葉和導葉隨著工況的變化形成最優的協聯關系，提高了水輪機的平均效率，擴大了運行范圍，獲得了穩定的運行特性，是一種值得廣泛使用的優良機型。

3 運行現象

我廠軸流定槳式機組，由于當初建造選型等歷史遺留問題，機組型號不匹配，在安裝工藝上，由于小東江電站為大東江電站整個建造工期的附屬工程，在水工建筑尤其是機坑精度方面以及機組裝配方面精度不夠，且軸流定漿式機組是高比轉速機組，故機組振動問題嚴重，在小東江水電站2#機就出現齒盤測速探頭被磨損，齒盤測速裝置振壞而停用，造成其更換頻繁，備品消耗嚴重；由于振動，多次出現導葉、輪葉位置傳感器電氣連接插把松動脫落而引起機組停機或或停機不下，2＃機導葉拐臂連桿多次脫出，2＃機漿葉操作油管先是下端開裂或后就上端斷裂也與振動原因分不開。下面就軸流定槳式水輪機水力振動的形成、危害、運行注意事項進行簡單分析[1]。

4 軸流定漿式水輪機水力振動

水力振動是機組振動的重要干擾源，就軸流定槳式水輪機而言，水力振動主要由以下原因引起，即：渦帶振動、卡門渦列、狹縫射流、協聯關系不正確等。

4.1 渦帶振動

根據速度三角形可以知道，由轉輪流出的水流方向，在最優工況時，大致為軸向，但是，機組負荷不可能總是在設計工況運行，當負荷大于最優工況時，水流就具有與轉輪旋轉方向相反的旋轉分量；而負荷比最優工況小時，就具有與旋轉方向同向的旋轉分量，這樣，在尾水管中心附近就產生具有某個邊界層的旋轉渦帶。渦帶中心壓力較低，在尾水位低時，其中心部分壓力更低，形成汽蝕，這就是一般稱為的“空腔汽蝕”。在高負荷運行時（水輪機額定出力周圍），渦帶往往比較穩定；而在低負荷運行時，渦帶成為龍卷狀，在尾水管內旋轉擺動，從而在尾水管內引起壓力脈動，在水輪機運行層可以聽到“空空”的聲響。其壓力脈動頻率為：

f=n/（60Z）

式中f壓力脈動頻率（Hz）

n水輪機轉速（r/min）

Z經驗值，一般取3-4（有時也接近于1-5）

壓力脈動的頻率和幅值是隨機組工況的變化而變化的。假若與過水系統水壓脈動頻率共振時，就造成水輪機整個過流系統的強烈水壓脈動，即尾水管、管型座和電站水工建筑物等的振動。并且會引起機組轉速不穩定，造成并網困難，尤其機組帶資興單網運行時機組轉速更加不穩定，這在小東江水電站已經出現過。另外，當小東江電站機組處于“飛逸”泄水工況時，尾水管進口處的壓力脈動更大。

4.2 由卡門渦引起的振動

卡門渦是一種渦列，當流體流過一圓柱體或板（包括一般不繞流體）時，在物體后面就會沿著兩條互相平行的直線產生一系列相隔一定距離的單渦（見圖1）。這一系列單渦稱之為卡門渦列。各個單渦以相反的旋轉的形式交替在物體兩后側釋放出來，與此同時，物體就受到與來流方向垂直的很強的交變力。這種交變力與旋渦頻率相同。其振動頻率為：

f=St*V/δ

式中f振動頻率(Hz)

St斯特雷哈系數（一般取0.15-0.2）

V：繞流流速(m/s)

δ：圓柱體直徑或板厚(m)

Vδ

圖1 卡門單渦示意圖

這種渦列在水輪機運行中也經常出現，導葉和輪葉在具有鈍尾時，就會在葉片后面出現卡門渦列，，因此，在機組檢修過程中，應特別注意疲勞裂紋的檢查。

這種渦的發生與否，與水流中物體的形狀有關，其頻率受水流流速的影響。因此，流速達到某一值，共振條件一成立，就會發生強烈的振動。所以實際水輪機在運轉時，卡門渦列引起的振動是在一定的工況下發生。下面列出卡門渦列與渦帶的區別（見表1），以供運行人員在水輪機實際運行中參考。

4.3 狹縫射流

表1 渦帶與卡門渦列的區別

在軸流定槳式水輪機中，由于轉輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在輪葉外緣和轉輪室之間的狹窄縫隙（小東江水電站的間隙是7mm）中，形成一股射流，其速度很高而壓力非常低。在轉輪旋轉過程中，轉輪室壁的某一部分在葉片達到的瞬間處于低壓；而在輪葉離去后又處于高壓，如此循環，形成了對轉輪室壁的周期性壓力脈動，從而產生振動，導致疲勞破壞。這種振動的頻率為：

f=（Z1n）/60

f：壓力脈動頻率（Hz）n：水輪機轉速（r/min）Z1：葉片數目(小東江電站7片)

4.4 協聯關系不正確引起的振動

根據運行經驗，當轉槳式水輪機中協聯關系不正確或協聯曲線與上游水位不一致（如上游水位高而協聯曲線低）時，一方面會引起調速器系統持續振蕩過程變長，機組出力、轉速發生振蕩，轉動部分扭矩就會引起大軸變形，從而使轉子產生扭轉振動；另一方面，由于水流情況惡化，在水導軸承、組合軸承處引起軸向振動，對于小東江水電站（轉輪直徑5600mm）而言，這種情況表現更為強烈。

同時，協聯關系不正確時，轉輪葉片不再具有無撞擊進口，水流對葉片就會產生沖擊，在不斷的調節過程中，由于沖角隨時在變化，作用在葉片上的負荷及由此而產生的葉片扭矩、變形等也相應變化，這些變化過程就反映了振動的進程。

4.5 其它原因引起的振動

當水輪機汽蝕嚴重時，同時產生機械振動和噪音，特別是在低水頭低負荷時，轉輪葉片沖角變化較大，使葉片產生強烈的脫流旋渦，一方面惡化汽蝕現象，另一方面引起轉動部分和尾水管的振動，這種振動頻率沒有一定規律。這種振動稱之為由汽蝕引起的振動。另外，在停機或甩負荷導葉快關時的反水錘，也會引起機組振動。

5 結語

以及現場運行人員應當綜合考慮的問題。就小東江電站機組運行方面來說就是避開振動區運行，每次開機帶滿負荷后根據當時實際水頭設置相應的導葉、負荷協聯曲線，在運行過程中上游水位降底或升高時即使調整導葉、負荷協聯曲線，且盡量使機組在額定水頭左右運我國國土遼闊，低水頭資源相當豐富，軸流定槳式機組作為開發低水頭資源的既經濟又適用的主導機型，已在國內外廣泛應用，但其水力振動和噪音普遍偏大，如何減少機組振動和噪音，是設計人員、科研工作者行，帶資興小網運行時因水輪機轉動貫量小不僅振動大且機組來回抽動，很難穩定運行，應盡量避免這種運行方式。