胡佳琪

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

水輪機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)是常見(jiàn)的現(xiàn)象，但不允許超出振動(dòng)值。若能將其振幅限制在允許范圍內(nèi)，就能確保機(jī)組安全正常運(yùn)行。但較大振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全是不利的，會(huì)造成如下危害：a)使機(jī)組各連接部件松動(dòng),使各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞；b)引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴(kuò)大裂縫甚至斷裂；c)尾水管低頻壓力脈動(dòng)可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫；當(dāng)其頻率與發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時(shí)，將發(fā)生共振，引起機(jī)組出力大幅度波動(dòng)，可能會(huì)造成機(jī)組從電力系統(tǒng)中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。

2 振動(dòng)原因分析與處理

振動(dòng)的水力因素系指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力。其特征是帶有隨機(jī)性，且當(dāng)機(jī)組處在非設(shè)計(jì)工況或過(guò)渡工況運(yùn)行時(shí)，因水流狀況惡化，機(jī)組各部件的振動(dòng)亦明顯增大。由于單位體積水流的能量取決于水頭，所以機(jī)組的振動(dòng)一般是隨水頭的降低而減弱，高水頭、低負(fù)荷時(shí)振動(dòng)相對(duì)而言較為嚴(yán)重。常見(jiàn)的由水力原因引起的水輪機(jī)振動(dòng)有以下幾種：（1）尾水管中水流渦帶所引起的壓力脈動(dòng)誘發(fā)的水輪機(jī)振動(dòng)?；炝魇剿啓C(jī)在偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，尾水管中將出現(xiàn)渦帶，由此引起水輪機(jī)振動(dòng)，并伴有響聲，常發(fā)生在30%～60%額定負(fù)荷范圍內(nèi)。強(qiáng)烈的渦帶可能引起廠房振動(dòng)；若由渦帶引起的尾水管中的低頻壓力脈動(dòng)頻率與引水管固有頻率接近，則可能引起引水管強(qiáng)烈振動(dòng)；如果壓力脈動(dòng)頻率和水輪機(jī)的轉(zhuǎn)頻接近，則可能引起功率擺動(dòng)，如鳳灘、柘溪、獅子灘、劉家峽等水電站均存在渦帶引起的振動(dòng)，常在轉(zhuǎn)輪出口附近的尾水管上部裝十字架補(bǔ)氣裝置，或軸心補(bǔ)氣，還有采取加長(zhǎng)泄水錐或加同軸擴(kuò)散形內(nèi)層水管段；近年來(lái)，一些大中型水電站在尾水管入口處加裝導(dǎo)流瓦和導(dǎo)流翼板等都可使渦帶引起的振動(dòng)減輕或消失。（2）卡門(mén)渦列引起的振動(dòng)。當(dāng)水流流經(jīng)非流線型障礙物時(shí)，在其后面尾流中分裂出一系列變態(tài)漩渦，即所謂卡門(mén)渦列。這種渦列交替地作順時(shí)針或反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在其不斷形成與消失過(guò)程中，會(huì)在垂直于主流方向引起交變的振動(dòng)力。當(dāng)卡門(mén)渦列的頻率與葉片固有頻率接近時(shí)，葉片動(dòng)應(yīng)力急劇增大，有時(shí)發(fā)出響聲，甚至使葉片根部振裂?？ㄩT(mén)渦列一般發(fā)生在50%額定出力以上的某種工況，如浙江的黃壇口、湖南的水府廟、江西的洪門(mén)等水電站均發(fā)生過(guò)卡門(mén)渦列振動(dòng)，采用改變卡門(mén)渦列頻率或葉片固有頻率的辦法，可以減輕卡門(mén)渦列振動(dòng)，如將葉片出水邊削薄或改型，有可能使正背兩面構(gòu)成的交流漩渦抵消或削弱；同時(shí)提高了卡門(mén)渦列的振動(dòng)頻率，使其遠(yuǎn)離葉片自振頻率，避免共振，但是葉片削薄改型部分不宜太長(zhǎng)，否則會(huì)影響翼型的特性，降低效率；尾端圓角應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，不應(yīng)太小。水府廟水電站采用在葉片之間加焊支撐鋼管，也可以改變?nèi)~片的自振頻率，避免疲勞裂紋。（3）轉(zhuǎn)輪止漏間隙不均勻引起的振動(dòng)。為了減少高水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的容積損失，通常采用梳齒形止漏裝置，但當(dāng)結(jié)構(gòu)不合理或間隙過(guò)小時(shí)，即使主軸很小的偏心或止漏環(huán)少量的幾何形狀誤差（如橢圓度、不均勻磨損等），都會(huì)引起間隙內(nèi)壓力的變化和波動(dòng)。間隙大處其流速較小而壓力較大，間隙小處則相反，因而造成間隙內(nèi)的壓力不均勻分布和側(cè)向水推力，引起轉(zhuǎn)輪偏心變大和振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與止漏環(huán)偏心運(yùn)動(dòng)的頻率相同。實(shí)踐證明，適當(dāng)增大外止漏環(huán)間隙，可使轉(zhuǎn)輪偏心運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)輪背壓和止漏環(huán)間隙中壓力的影響明顯減弱，從而減小振動(dòng)。如漁子溪4號(hào)機(jī)運(yùn)行半年出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大，后將上下止漏環(huán)間隙由1mm增加到2.5mm，振幅減小在規(guī)定范圍內(nèi)。（4）沖擊式水輪機(jī)尾水上漲引起的振動(dòng)。正常時(shí)，沖擊式水輪機(jī)的尾水位與轉(zhuǎn)輪必須保持一定距離，尾水應(yīng)無(wú)壓流動(dòng)。如果尾水渠雍水回濺到水斗上，擾亂水頭與射流的正常流程，也會(huì)引起機(jī)組效率下降和振動(dòng)。此外，運(yùn)行時(shí)處于轉(zhuǎn)輪附近的空氣，會(huì)被高速射流帶走并從尾水渠中排出，機(jī)殼上的補(bǔ)氣孔太小或冒水就有可能使尾水位抬高甚至淹沒(méi)轉(zhuǎn)輪，使尾水形成有壓流動(dòng)，不僅產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，而且危及機(jī)組安全。此種情況下，可采用擴(kuò)大尾水渠斷面或增加機(jī)殼補(bǔ)氣量的方法來(lái)消除振動(dòng)。

除上述幾種常見(jiàn)的水力振動(dòng)外，其他水力振動(dòng)還包括：進(jìn)水口攔污柵被雜物堵塞激發(fā)的脈動(dòng)；雜物進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與固定部件之間，引起斷流或流量突變而振動(dòng)；在不設(shè)調(diào)壓井的長(zhǎng)尾水系統(tǒng)電站中，甩負(fù)荷工況會(huì)出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象造成振動(dòng)；轉(zhuǎn)輪室內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定可能引起控制系統(tǒng)振動(dòng)，導(dǎo)致壓力脈動(dòng)，使出力在某一范圍內(nèi)擺動(dòng)，利用單導(dǎo)葉接力器可以避免機(jī)組在導(dǎo)葉不同步的范圍內(nèi)運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

引起水輪機(jī)振動(dòng)增大的原因很多，也可能是幾種原因同時(shí)作用造成的，甚至產(chǎn)生相互加劇的連鎖反應(yīng)，在未找到原因前，應(yīng)避開(kāi)在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。尤其是機(jī)組向高比轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展，單機(jī)容量增大，機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸增大。為減少金屬用量，機(jī)組剛度相對(duì)地降低，振動(dòng)問(wèn)題將更加突出。為提高水電廠的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，必須對(duì)機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題加強(qiáng)調(diào)查、研究和總結(jié)，提出相應(yīng)的措施，以提高水電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造水平和水電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

[1]哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[C].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1976.

[2]曹琨，姚志民.水輪機(jī)原理與水力設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1991.

[3]陶星明，劉光寧.關(guān)于混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性的幾點(diǎn)建議[J].大電機(jī)技術(shù)，2002(02).