燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的振動與振動區(qū)的界定

馮國柱

（大唐水電科學技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530031）

0 引言

常見的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，其整體結(jié)構(gòu)形似燈泡體，主要受力的部件是埋入部分和固定部分。埋入部件主要有管型座和尾水管；固定部件主要有轉(zhuǎn)輪室、伸縮節(jié)、導水機構(gòu)、軸承等。管型座為主要支撐，燈泡頭下端和兩側(cè)設有輔助支撐，所有支撐將機組的受力傳遞到廠房的基礎(chǔ)部分。而軸系支撐大部分以兩導結(jié)構(gòu)為主，設有發(fā)電機組合軸承和水導軸承，承受發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機以及大軸等重量。轉(zhuǎn)輪室是能量轉(zhuǎn)換的部位，布置在水輪機豎井，整體呈懸臂結(jié)構(gòu)。

和其他水輪發(fā)電機組一樣，運行時產(chǎn)生的振動主要由水力、機械、電磁原因引起，正常范圍內(nèi)的振動不會對機組產(chǎn)生不良影響。但是異常、幅值較大的振動，會不利機組的正常運行或引發(fā)機組和廠房的損壞。因此，對機組的振動特性進行測試、分析，界定機組全水頭振動區(qū)的工作，有利于掌握機組運行特性，指導機組在安全性基礎(chǔ)上穩(wěn)定運行。

1 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的振動

1.1 水力激振力

（1）偏離最優(yōu)工況

由于導葉槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配、導葉開度過小、導葉開度過大、尾水位過低等偏離最優(yōu)工況條件下導致的振動，是常見的水力振動。

機組的協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配通常是由于水輪機模型試驗數(shù)據(jù)不準確、協(xié)聯(lián)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)與接力器開度數(shù)據(jù)換算錯誤、調(diào)速器協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)寫入錯誤、原始協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)密度不足而使用插值計算產(chǎn)生的誤差等原因造成。機組的協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配，會使葉片的進口水流產(chǎn)生沖角，對葉片造成水流沖擊，進而造成主要以水導軸承、轉(zhuǎn)輪室處為主的異常振動。

導葉開度過小，即小開度區(qū)，通常是指在不同運行水頭下，機組還未進入當前水頭下的協(xié)聯(lián)工況時，水輪機內(nèi)部的壓力脈動主要受到葉片通過頻率（葉片數(shù)與機組一倍轉(zhuǎn)動頻率的乘積）以及低頻脈動（渦帶脈動）的影響。而葉片通過頻率的影響實際上也是一種動靜干涉，這部分內(nèi)容會在下文詳細說明。

導葉開度過大，即大開度區(qū)，是指導葉開度90%～100%的工況范圍。多數(shù)出現(xiàn)在水輪機運行水頭低于額定水頭的情況下。在這種情況下，機組的導葉開度可以達到90%～100%，其產(chǎn)生的振動是在水輪機偏離最優(yōu)工況比較遠時產(chǎn)生的。在大開度區(qū)，槳葉開度早已達到最大，而導葉開度的不斷增大，使得葉片進口水流沖角變化，當沖角超過一定值時，就會在葉片產(chǎn)生水流沖擊，大開度的影響實際上也是一種協(xié)聯(lián)不匹配的影響。在真機振動測試過程中，大部分機組的協(xié)聯(lián)關(guān)系都是在導葉開度接近90%時輪葉就已達到滿開度，所以在繼續(xù)增加導葉開度時，機組的水導擺度、水導軸承座的振動、轉(zhuǎn)輪室振動、機組噪聲等都有一個明顯增大的趨勢。

還存在由于某些原因，電站的下游水位降低較多，導致了水輪機運行水頭增大，引起水輪機空蝕余量減小，容易產(chǎn)生空蝕，振動加劇。

而進水口攔污柵的堵塞作為貫流式電站常見的現(xiàn)象，也是一種偏離最優(yōu)工況的特殊現(xiàn)象，因堵塞多數(shù)發(fā)生在攔污柵處，進水部位會產(chǎn)生不同形態(tài)的漩渦，進而在流道中產(chǎn)生氣泡，氣泡在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的破裂會引起機組振動等問題，而嚴重的堵塞也會引起水頭損失，造成機組協(xié)聯(lián)不正確，加大機組的振動。例如廣西某電站，3 號機組為靠近擋水邊墻的一臺機組，河面漂浮物都聚集在3 號機組進水攔污柵處，當機組負荷增加時，發(fā)現(xiàn)上游進水口處有漩渦水流，隨著負荷的增大，漩渦水流不斷增大，機組出現(xiàn)嗡嗡噪音，而漩渦水流又不斷地牽引河面漂浮物聚集，機組出力也極不穩(wěn)定，有功功率波動較大，漩渦帶進流道的氣泡沖擊轉(zhuǎn)輪室，致使機組運行更加不平穩(wěn)，振動、噪聲均變大，水導軸承座徑向振動超標，轉(zhuǎn)輪室外殼徑向振動較大。由于各種水力因素的長期綜合作用，引起了轉(zhuǎn)輪室裂紋的產(chǎn)生。

（2）水力不平衡

因水輪機轉(zhuǎn)輪偏心、導葉或葉片型線問題、導槳葉開度不均勻等問題導致的水流不穩(wěn)定狀態(tài)會產(chǎn)生水力不平衡，其特點明顯，主要引起機組的振動都是以轉(zhuǎn)頻為主，尤其在水導軸承、轉(zhuǎn)輪室等部位產(chǎn)生的振動影響最明顯，其相關(guān)部位的振動幅值隨著流量（功率、開度）的增大而增大。

（3）渦帶

有研究表明，不同工況下，在貫流式水輪機尾水管內(nèi)會形成一螺旋狀偏心渦帶，旋轉(zhuǎn)方向與機組旋轉(zhuǎn)方向相同，水輪機內(nèi)部的低頻壓力脈動是由尾水管渦帶引起的，其壓力脈動的頻率通常為轉(zhuǎn)速頻率的1/3～1/5。

日常機組振動測試中，常見的低頻壓力脈動影響主要體現(xiàn)在水導軸承處的大軸擺度、水導軸承座徑向振動、尾水管壓力脈動、轉(zhuǎn)輪室徑向振動等，壓力脈動的頻率和幅值是隨機組工況的變化而變化的，特殊的脈動頻率還會引起機組共振或引起機組轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、并網(wǎng)困難等問題。

（4）動靜干涉

動靜干涉引發(fā)的壓力脈動的頻率是固定的，轉(zhuǎn)輪葉片對靜止部件的作用力的頻率，就等于一倍轉(zhuǎn)頻頻率與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的乘積，即f=（Z1n）/60。而導葉、葉片和機組旋轉(zhuǎn)疊加引起的動靜干涉頻率取決于機組轉(zhuǎn)速、導葉和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，其經(jīng)驗公式為f=（Z0Z1n）/60K，式中f為脈動頻率（Hz）；n為水輪機轉(zhuǎn)速（r/min）；Z1為葉片數(shù)目；Z0為導葉數(shù)目；K為Z0和Z1的最大公約數(shù)。

動靜干涉引起的壓力脈動在燈泡貫流式機組中較為常見，可引發(fā)水導軸承、轉(zhuǎn)輪室等部位的振動，某些過大振動和交變力還會引發(fā)機組結(jié)構(gòu)部件的裂紋現(xiàn)象。

（5）卡門渦

卡門渦街頻率經(jīng)驗公式：f=S×v/d，式中v為接近繞流物體前的流速；S為斯特努哈數(shù)，取經(jīng)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。

若卡門渦街的頻率與導葉的某階固有頻率耦合，就會產(chǎn)生共振，會造成單一頻率的高頻振動，發(fā)出尖銳的金屬共鳴聲，并可能在葉片出水邊產(chǎn)生具有規(guī)律性的裂紋。目前對于低水頭的貫流式機組，因卡門渦街而產(chǎn)生共振的案例較少，未查閱到相關(guān)資料文獻。

（6）狹縫射流

狹縫射流實際是動靜干涉的一種特殊型式，由于轉(zhuǎn)輪葉片前后的壓力不同，水流從輪葉外緣和轉(zhuǎn)輪室之間的縫隙通過時，會形成一股射流，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的過程中，葉片的轉(zhuǎn)動相對于靜止的轉(zhuǎn)輪室壁形成了特定的壓力脈動和對轉(zhuǎn)輪室壁的周期性交變力，最終會導致疲勞破壞。這種脈動和振動的頻率為：f=（Z1n）/60，式中f為脈動頻率（Hz）；n為水輪機轉(zhuǎn)速（r/min）；Z1為葉片數(shù)目。即Z1倍轉(zhuǎn)頻頻率，如果與轉(zhuǎn)輪室的固有頻率發(fā)生共振，還會發(fā)生更大程度的振動。

此種影響主要體現(xiàn)在水導軸承振動和轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的壓力脈動、轉(zhuǎn)輪室外殼的振動等方面，屬于對機組破壞性較大的一種水力現(xiàn)象。

1.2 機械激振力

大部分由機械激振力產(chǎn)生的異常振動都是因機械缺陷引起，其振動特點和機組的轉(zhuǎn)速相關(guān)，即振動成分為機組轉(zhuǎn)動頻率或轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍。

主要有機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、因轉(zhuǎn)輪室變形或其他原因，導致的水輪機掃膛、軸線不佳或?qū)лS承缺陷導致。而某些結(jié)構(gòu)部件的裂紋也會導致機組在某些特定工況下產(chǎn)生異常的振動。例如陜西省某水電站機組停機加閘時振動較大，原因主要是由于制動器支臂“工”字鋼梁出現(xiàn)裂紋，導致制動器支臂振動大，進一步導致燈泡頭處振動較大。

1.3 電磁激振力

因轉(zhuǎn)子或定子不圓引起的電磁不平衡，其振動幅值和機組勵磁電流成正比關(guān)系，振動頻率為轉(zhuǎn)速頻率或其整倍數(shù)。

因次諧波、負序電流、支路環(huán)流、定子鐵心疊片松動、分瓣定子的合縫有間隙等原因引起的極頻電磁激振力，其振動頻率主要為100 Hz。

2 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的振動區(qū)界定

目前對于燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的振動區(qū)劃分方法，以測試全水頭下機組各部位的振動以及流道中的壓力脈動為主，并對測試結(jié)果進行分析，以水力激振力引發(fā)的振動原因為依據(jù)劃分。而機械激振力和電磁激振力引起的異常振動，只作為一種機組臨時故障對待，如故障短期內(nèi)不能處理消除，才考慮將其引起的振動作為劃分振動區(qū)的參考依據(jù)，當此故障最終消除時，需要重新測試并劃分振動區(qū)。

2.1 標準依據(jù)

目前對貫流式水輪發(fā)電機組的各部位振動允許限值的標準，做出具體規(guī)定的主要有GB/T 15468《水輪機基本技術(shù)條件》、GB/T 7894《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》、DL/T 827《燈泡貫流式水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程》、GB/T 11348.5《旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第5 部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》。上述標準中對機組各部位振動允許值的規(guī)定略有差異，主要是對機組額定轉(zhuǎn)速的界定方面有所不同，經(jīng)過統(tǒng)計匯總，對貫流式機組的額定轉(zhuǎn)速歸類成小于100 r/min、等于100 r/min、大于100 r/min 3 種范圍，不同轉(zhuǎn)速下機組各部位的振動分別對應不同的允許值，統(tǒng)計詳見表1。

表1 燈泡貫流式機組各部位振動允許值匯總

另外，機組的水輪機模型試驗報告、水輪機原型運轉(zhuǎn)特性曲線以及機組采購合同內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)及規(guī)定也可作為界定機組振動區(qū)參考的依據(jù)。

2.2 測試方法

依據(jù)GB/T 17189《水力機械（水輪機、蓄能泵和水泵水輪機）振動和脈動現(xiàn)場測試規(guī)程》的相關(guān)要求和方法，在各水頭、各運行工況下對機組的各部位振動和壓力脈動進行測試，重點對水導軸承座、組合軸承座、燈泡頭、轉(zhuǎn)輪室外殼、受油器進行絕對振動測試；對水導軸承處大軸、發(fā)導軸承處大軸進行相對振動（擺度）測試；對轉(zhuǎn)輪室壓力脈動、尾水壓力脈動等進行測試；如有條件，可對機組轉(zhuǎn)輪室的噪聲同時進行測試。整個振動區(qū)測試建議開展轉(zhuǎn)速調(diào)整試驗、勵磁調(diào)整試驗、多水頭下的負荷調(diào)整試驗，詳見表2。

表2 燈泡貫流式機組振動區(qū)測試項目

2.3 界定方法

振動區(qū)測試過程中，首先需判斷機組是否有因機械或電磁因素引起的異常振動故障，如存在上述故障，需判斷其影響大小和消除缺陷的困難程度，再決定是否開展下一步的測試工作。如測試過程中機組有明顯協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配的現(xiàn)象，需進一步分析研究是否優(yōu)化協(xié)聯(lián)后再開展振動區(qū)測試工作。

測試工作完成后，以主軸擺度、水導軸承座振動、組合軸承座振動、燈泡頭振動、流道壓力脈動為主，轉(zhuǎn)輪室外殼振動、受油器振動為輔，對機組各工況下運行的數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析。根據(jù)各測點的振動數(shù)據(jù)，對機組的整體運行情況和穩(wěn)定水平進行大致的判定。

針對存在測點振動數(shù)據(jù)超出標準允許范圍的情況，則需從水力、機械、電磁3 個因素對其進行原因分析，再綜合考慮超標測點部位的重要程度、數(shù)據(jù)超標嚴重程度以及機組長期運行后給此超標部位造成的破壞程度，來判斷是否把此部位振動超標時的負荷工況作為振動區(qū)。對于水導軸承、轉(zhuǎn)輪室以及燈泡頭、流道等水力振動因素成分較多的部位，更需重點分析考慮。另外，要考慮每個部位在不同負荷工況下的振動程度的趨勢，對于趨勢平緩的，則重點考慮數(shù)據(jù)是否超標的情況；對于趨勢有突變的，則要考慮其振動數(shù)據(jù)突變的原因和影響。例如某電站2 號機組在某水頭下的振動區(qū)測試過程中，水導軸承徑向振動在各負荷工況下均超出標準允許范圍，在20 MW 工況點后其振動幅值突變呈快速上升趨勢，見圖1。分析其振動原因為水力低頻振動為主，但水導擺度幅值并不大，綜合分析為水導軸承整體支撐強度不足，產(chǎn)生一定的晃動，所以水導軸承的絕對振動幅值略大，但在20 MW 工況點后，機組導葉開度加大，屬于導葉開度過大引起的異常振動，所以20 MW 工況點后的區(qū)域，就要綜合考慮是否劃分為振動區(qū)域。

圖1 某電站2 號機組水導軸承振動隨有功變化趨勢圖

如機組測點振動數(shù)據(jù)均不超出標準允許范圍，除了分析各部位的振動原因外，也要考慮是否存在不同負荷工況下有振動數(shù)據(jù)趨勢突變的情況。另外也要參照水輪機原型運轉(zhuǎn)特性曲線，對于不在原型運轉(zhuǎn)特性曲線出力范圍內(nèi)的工況，也要考慮將其劃歸為振動區(qū)域。同時也可參照水輪機模型試驗報告、機組采購合同保證值等，對機組的振動區(qū)進行劃分。劃分流程圖詳見圖2。

圖2 全水頭振動區(qū)劃分流程圖

根據(jù)不同電站不同機組的振動區(qū)測試結(jié)果，燈泡貫流式機組的振動區(qū)主要有以下幾個區(qū)域：機組進入?yún)f(xié)聯(lián)前的小開度工況；尾水渦帶影響嚴重的工況；狹縫射流影響嚴重的工況；槳葉開度達到最大后繼續(xù)增加導葉開度的大開度工況；由于機組自身原因（進水情況不佳）導致的偏離最優(yōu)工況較嚴重的工況。

3 結(jié)語

水力激振力是引起燈泡貫流式水輪發(fā)電機組振動的主要原因，包括水輪機偏離最優(yōu)工況、水力不平衡、渦帶、動靜干涉、卡門渦以及狹縫射流6 個方面。另外機械激振力和電磁激振力原因也是引起機組的振動原因。機組振動區(qū)測試和界定工作主要依據(jù)國標、行標，根據(jù)多年的振動區(qū)測試經(jīng)驗，歸納出燈泡貫流式機組的振動區(qū)主要有機組進入?yún)f(xié)聯(lián)前的小開度工況、尾水渦帶影響嚴重的工況、狹縫射流影響嚴重的工況、槳葉開度達到最大后繼續(xù)增加導葉開度的大開度工況、由于機組自身原因（進水情況不佳）導致的偏離最優(yōu)工況較嚴重的工況。