某燈泡貫流式水輪機轉輪室振因研究

馬 彪

（國際小水電中心，浙江 杭州 310002）

0 前言

燈泡貫流式水輪機因其過流量大、轉速高、效率高、高效區寬、結構緊湊、布置簡單等優點成為開發低水頭水能資源的一種經濟、適宜的水輪機型式。燈泡貫流式水輪機的振動問題是行業的其中一個重點研究方向，國內外研究學者對其進行了深入研究[1-10]。然而通過理論分析、數值計算等方法研究貫流式水輪機的振動問題的較多，針對已運行電站燈泡貫流式水輪機采用真機試驗進行機組振動特性分析、機理研究較少。本文對某電站燈泡貫流式水輪機轉輪室進行了振動研究，分析了轉輪室的振動特性，揭示轉輪室振動的產生機理，并分析產生轉輪室裂紋的原因。

某水電站安裝了4 臺燈泡貫流式水輪發電機組，水輪機額定出力為24.67 MW，額定流量為399.7 m3/s，額定轉速為68.18 r/min，最高水頭為10 m，額定水頭為6.8 m，16 個導葉，轉輪直徑為7.2 m，4 個葉片（轉槳式）。轉輪室為鋼板焊接結構，在槳葉上部轉角范圍90° 內易汽蝕區域采用不銹鋼板制造，與葉片配合面為球面，喉部直徑為Φ6 908 mm，為了便于安裝，分上、下兩半，用螺栓把合在一起，采用Φ10 圓橡膠條密封。轉輪室用螺栓和外導水環把合在一起，把合法蘭處密封采用Φ16圓橡膠條密封。

1 基本情況

1.1 轉輪室裂紋

水電站自運行以后，出現過很多的穩定性問題，尤以轉輪室裂紋問題較為突出。2019 年，電站機組在運行發電時，巡回人員發現轉輪室漏水現象嚴重，隨后停機進行檢查，發現轉輪室出現長度約為36 cm的裂紋，此次產生的新裂紋的位置為上次轉輪室裂紋補焊后加裝的加強板周邊。由于裂紋的存在，機組在運行時，裂紋處有漏水現象。

圖1 燈泡貫流式水電站轉輪室裂紋

1.2 監測數據

通過監測數據可知，轉輪室振動幅值出現了明顯的增大現象，轉輪室X 向振動值最大達到了約1 155 μm，轉輪室Y 向振動值300 μm～400 μm。轉輪室X 向的振動值已超過嚴重危險值的范圍，一直持續到了4 月23 日才消失，且從現場實際轉輪室漏水量分析和每天對轉輪室裂紋檢查的情況判斷，裂紋還是有緩慢延伸的趨勢。

圖2 轉輪室振動監測數據

1.3 采取措施

電站停機并采取以下處理：（1）刨開加固搭板，對發現的裂紋處進行打磨、清除油漆、污垢；（2）用PT 探傷檢查裂紋缺陷情況，并做出明顯標記；（3）在本體的裂紋兩端盡頭各鉆Φ8 mm 的止裂孔；（4）氣刨結合打磨消除裂紋并制作X 型焊接坡口，沒有貫穿處則做V 型焊接坡口，為防止焊接變形，采用先焊接內部，再開外部坡口，焊接外部的順序進行，具體焊縫采用多層、多道、多段、對稱、退步全位置焊接。

2 研究內容

在特定的試驗工況下，運用試驗測試系統對機組轉輪室的振動特性進行真機試驗研究，分析了轉輪室的振動特性，包括振幅和第一振動主頻等內容，分析轉輪室振動的產生機理，研究轉輪室裂紋的主要誘導因素。

2.1 試驗工況

在電站裝置空化系數及在試驗水頭為8 m 的情況下，以4 MW 為增量步進來調節機組負荷，分別調整機組出力至以下6 個工況：4 MW、8 MW、12 MW、16 MW、20 MW、24 MW。在每個試驗工況機組運行穩定后，進行振動試驗數據采集記錄，記錄完成后再進行下一工況的負荷調整與振動試驗數據記錄。

2.2 振動測點

在轉輪室上轉輪葉片工作平面環向分別布置5個測點（圖3）。

圖3 振動測點布置圖（下游側）

2.3 試驗測試系統

（1）機組狀態監測及跟蹤分析系統平臺

試驗研究是通過機組狀態監測及跟蹤分析系統平臺（圖4）進行的，系統平臺包括狀態監測、信號分析、故障診斷3 個主要功能模塊以及其他輔助模塊。①狀態監測模塊實現實時監測并報警，整機綜合狀態監測包括結構圖監視和數據圖監視，從結構圖中可以看到各個傳感器的安裝位置，以及各傳感器所監測的部位運行是否正常，從數據圖中可以得到各傳感器通道所測數據的具體數值以及各參量的狀態；②信號分析模塊是利用一些專門的分析方法對狀態監測所獲取的數據進行分析，以掌握影響機組運行穩定性的關鍵因素，通過建立并實時更新的數學模型，分析導致機組振動的誘因；③故障診斷模塊能自動對機組進行評價和對可能發生的故障進行診斷。運用該系統，能完整地掌握機組運行的當前狀態和歷史數據，為實現預測性維修、延長機組大修期限提供決策數據和幫助，并為電站設備的安全、高效運行提供了保障。

圖4 機組狀態監測及跟蹤分析系統平臺

（2）在線監測系統振動處理過程

在線監測系統振動處理過程如圖5 所示，系統通過振動傳感器測量監測信息，對信息進行采集上傳至數據采集平臺，在平臺中對原始數據進行甄別，得到特征數據，并將原始數據和特征數據都存儲至數據庫，然后從數據中提取關鍵數據，對數據進行分析，以研究的振動問題為導向對數據進行調研，應用快速傅里葉（FFT）算法和振幅值確定轉輪室振動的振因。

圖5 在線監測系統振動處理過程示意圖

（3）振動傳感器

振動測量采用5 個MLS-9 超低頻速度傳感器進行絕對值測量,幅值非線性度≤3%，靈敏度8 V/mm，量程±1 mm，頻率響應0.5～200 Hz（-3 dB），±12 VDC 電源取自現地屏的電源插箱，由前面板的I/O 供電開關控制，傳感器采用底座焊接方式安裝，在底座中心孔用1 個M 8 雙頭螺栓固定，用2 個M 5 的螺釘固定底座。

2.4 振幅

振幅是通過振動波形的雙振幅峰峰值△A（圖6）來判斷。如公式（1）所示，△A為在一段時間內連續采樣振動信號，獲得的樣本值X[i]，計算概率分布，在97%置信空間內計算樣本值最大值與最小值之差。振幅計算公式為：

圖6 振動雙振幅△A 示意圖

2.5 振因分析

本試驗利用廣泛應用的頻譜分析方法對轉輪室振動進行研究分析，利用快速傅立葉變換算法公式（2）把復雜的振動信號進行有限化和離散化的處理，將時域曲線轉化分解為頻域曲線，頻域曲線的幅值和頻率即為頻譜，通過頻譜值，特別是第一主頻值f1，可找到引起振動的原因。為了研究方便，此處定義 轉 頻X=n/60=68.18/60=1.136（Hz），則mX 代 表m倍的轉頻頻率。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

3.2 結果分析

（1）振動幅值

由圖7 可得表1 和圖8，對比分析圖8 各測點振動值圖與圖3 的測點位置可知：①各測點轉輪葉片到轉輪室的動態間隙不一致，且振動值整體上呈現的趨勢為：上面測點的振動值>中間測點的振動值>下面測點的振動值。②測點P1、P2、P3、P4 隨著負荷的增大，振動值呈現先增大后減小,在負荷為8 MW 時達到最大值。測點P5 隨著負荷的增大，除在12 MW有稍微的減小之外，整體上呈現增大趨勢。

圖7 轉輪室振動各工況的時域及頻域圖

表1 不同功率工況下各測點的振動值

圖8 各工況振動值隨工況的變化情況圖

（2）振動主頻

由圖8 可得表2，可知：①測點P1、P2、P5 的第一主頻值為4X（葉片數×轉頻），說明振動主要是由轉輪旋轉的水力因素導致的，當水輪機在運轉的時候，轉輪室P1、P2、P5 測點周圍的區域在轉輪葉片經過的時候，受到由水流的作用而產生低壓的水壓力；當葉片轉過此區域時，轉輪室的這部分區域又承受壓力較高的水壓力。這樣隨著機組轉輪的旋轉，轉輪室受到的水壓力在低壓和高壓之間循環往復的變換，產生頻率為葉片數乘以轉頻的振動；②測點P3、P4 的第一主頻值都為低頻的振動，第一主頻值分別為0.63X、0.75X、0.88X,其中0.63X 測點P3 出現2 次、測點P4 出現5 次；0.75X 測點P3 出現2 次、測點P4 出現1 次；0.63X 測點P3 出現2 次，說明轉輪室P3、P4 測點周圍的區域是由水力因素以及葉片到轉輪室間隙的不均勻共同導致的。

表2 不同工況下的各測點振動的第一主頻

由上述分析可得，轉輪旋轉造成的不穩定流動以及葉片到轉輪室的間隙不一致導致了轉輪室的水力振動異常，由此誘使轉輪室部分區域疲勞破壞，產生貫穿性裂紋。

4 結論

選取某電站的6 個運行工況，應用真機試驗對燈泡貫流式機組轉輪室進行振動研究，通過對研究結果的分析，可得出以下結論：

（1）轉輪室振動的主要誘因是：①轉輪旋轉造成的不穩定流動；②葉片到轉輪室間隙的不一致。

（2）轉輪葉片到轉輪室的動態間隙不一致，同一工況的振動值在空間上呈現為上大下小的現象；且隨著負荷的增加，各測點整體上呈現先增大后減小的趨勢。

（3）水力因素是導致轉輪室部分區域出現貫穿性裂紋的主要原因。