杜世平

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 410100）

土耳其甘然電站水輪機異常噪音問題分析和處理

杜世平

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 410100）

土耳其甘然電站21MW水輪發(fā)電機組投入商業(yè)運行后，發(fā)現(xiàn)水輪機在部分負荷存在異常的金屬嘯叫聲音，經(jīng)現(xiàn)場實驗分析，認為是卡門渦共振引起的聲音異常，同時兩個葉片出現(xiàn)裂紋，經(jīng)強迫補氣后，異常聲音消除，本文詳細介紹了實驗和分析過程，為其他電站的設計和運行提供參考經(jīng)驗。

土耳其；甘然；卡門渦異常；聲音；嘯叫

1 電站概況

土耳其甘然電站位于土耳其Batman市Kozluk鎮(zhèn)附近，安東尼奧地區(qū)的GARZAN河上，電站安裝兩臺單機容量為21.015MW的立軸混流式機組。應用11/154kV的變壓器，通過154kV架空電纜聯(lián)接系統(tǒng)。水輪機進水蝶閥直徑2.2m，調(diào)速器采用BYWT-9000-16高油壓分離式調(diào)速器。電站海拔高度大約800m。

表1 水輪機主要參數(shù)表

2 水輪機主體結(jié)構(gòu)

土耳其甘然電站轉(zhuǎn)輪采用國內(nèi)先進的X型葉片轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)效率達到95.2%，穩(wěn)定性好，適應于水頭變幅較大電站，該轉(zhuǎn)輪已在多個電站成功運行。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)13片，轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)和葉片材料均為ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼，數(shù)控加工成型，在制造廠內(nèi)進行靜平衡試驗。

主軸密封采用無接觸泵板密封，在轉(zhuǎn)輪上冠處設有12個直泵葉片，頂蓋設有12個DN50的排水管，12根排水管匯總成一根排水總管，接入尾水管。頂蓋排水管總面積為止漏環(huán)漏水面積的5.6倍。通過這套系統(tǒng)可以將轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)處的漏水排至尾水管，確保主軸密封處不漏水。

為減小轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)處漏水，在轉(zhuǎn)輪上冠處同時設有梳齒型小間隙密封，為兼顧安裝檢修和防止高水頭止漏環(huán)自激震蕩兩個因素，止漏環(huán)處單邊間隙設計1.1～1.3mm，梳齒密封單邊間隙設計1.0～1.1mm。

為削弱尾水管渦帶對水輪機產(chǎn)生的危害，改善水輪機運行穩(wěn)定性，尾水管設計采用了短管式自然補氣方式，在尾水錐管上部設有4個DN90的補氣短管，匯總為DN100總管接入廠房外大氣。

3 電站異常聲音問題

土耳其甘然電站于2013年1月完成各項實驗后投入商業(yè)運行。自運行以來，機組出力滿足設計要求，瓦溫低、振動擺度正常，但機組在13～18MW區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常的金屬嘯叫聲音，在此負荷區(qū)域以外聲音正常，2臺機組均存在異常聲音的問題，強度略有區(qū)別。在運行至12月例行檢查時發(fā)現(xiàn)1號機組轉(zhuǎn)輪兩個葉片出現(xiàn)貫穿性裂紋，從轉(zhuǎn)輪出水邊中下部向內(nèi)延伸，長度約150mm，出水邊裂紋導致葉片斷面錯位。

4 現(xiàn)場實驗分析

引起水輪機發(fā)出金屬嘯叫聲音的原因有很多種，總體來說可能有金屬摩擦聲、補氣管路流速過快通過小間隙導致的蜂鳴聲、尾水管渦帶本身的聲音、水輪機水力部分原因包括卡門渦和葉道渦聲音、轉(zhuǎn)頻與其它機械固有頻率接近產(chǎn)生共振的聲音（如軸承端蓋），以及頂蓋管路排水不暢存在氣液兩項流引起的聲音等等。為能分析確定聲音產(chǎn)生的原因，在現(xiàn)場進行了各種比對實驗。

圖1 葉片裂紋位置示意圖

圖2 葉片裂紋現(xiàn)場圖

4.1 變水頭實驗

電站初期運行在高水頭附近，蝸殼進口壓力1.05MPa，出現(xiàn)異常聲音的負荷區(qū)在13～18MW，枯水期運行在低水頭附近，現(xiàn)場測試蝸殼進口壓力0.776MPa，異常聲音區(qū)域為11～15MW。說明隨著水頭增高，異常聲音的負荷區(qū)域也增大，一般判定這種異常聲音和水輪機流動有關(guān)。

4.2 補氣量調(diào)整實驗

一般在40%～70%負荷下運行時，水輪機尾水管存在渦帶，由于尾水管渦帶的強烈擾動，或其頻率與機組固有頻率重合而產(chǎn)生共振，將引起機組振動或者負荷擺動，同時也會產(chǎn)生噪音。另外高速氣流通過小間隙區(qū)域也會產(chǎn)生金屬的嘯叫聲。尾水管補氣裝置的作用就是在出現(xiàn)這種工況時，補入空氣借以吸振同時降低渦帶強度，改善機組的運行狀態(tài)。

據(jù)電站反應，在增加補氣量后異常聲音有所改善，為驗證補氣量的影響，進行了補氣量調(diào)整試驗。試驗前將補氣閥完全拆除，以實現(xiàn)最大補氣量。試驗在采用全部關(guān)閉補氣管、全部開啟以及部分開啟補氣管方式下，進行了變負荷實驗。經(jīng)過多輪反復實驗，發(fā)現(xiàn)補氣量的改變對水輪機出現(xiàn)異常聲音的負荷區(qū)域以及聲音強度沒有任何影響，依舊是在11～15MW區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常金屬嘯叫聲且聲音強度沒有變化。

此試驗證明異常聲音不是來自尾水管渦帶，也不是產(chǎn)生在補氣管道內(nèi)。

4.3 頂蓋排水實驗

甘然電站采用的是泵板密封結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)處的漏水通過泵板匯入12個DN50的頂蓋排水管，再匯入DN200的頂蓋排水總管，接至尾水管?？紤]到電站初期運行時，上止漏環(huán)出漏水較少，同時電站又將頂蓋排水總管接入了尾水錐管上段，這樣有可能會出現(xiàn)頂蓋排水管路氣液混雜現(xiàn)象，管路里的氣液兩項流也會產(chǎn)生異常聲音，此類現(xiàn)象在其它電站發(fā)生過。

現(xiàn)場試驗將頂蓋排水總管直接接入集水井，運行中保證頂蓋排水管路全部充滿水，試驗結(jié)果表明水輪機異常聲音與頂蓋排水管路沒有關(guān)系。

4.4 強迫補氣實驗

在以上試驗過程中，同時檢查了水輪機主軸、頂蓋、導水機構(gòu)、軸承及管路，機組的振動擺度以及瓦溫都很好，完全滿足國家標準要求，首先排除了因金屬摩擦引起異常聲音的可能性。至此，初步懷疑水輪機內(nèi)部的流體運動應該是產(chǎn)生異常金屬聲音的根源，即卡門渦或者葉道渦，渦帶頻率與葉片某一階固有頻率一致，使葉片共振產(chǎn)生金屬的嘯叫聲，同時葉片的振動導致葉片出水邊中間位置撓度最大，產(chǎn)生裂紋。

4.4.1 葉道渦

當水輪機偏離最優(yōu)工況時，在轉(zhuǎn)輪葉片間可以看到有一連串的渦束沿著兩個葉片間流出，這就是葉道渦。葉道渦起源于偏離最優(yōu)工況后轉(zhuǎn)輪上冠進口處的脫流。在高水頭時，脫流發(fā)生在上冠葉片進口的背面，當?shù)陀谠O計水頭時，脫流發(fā)生在葉片正面進口邊。從葉道渦產(chǎn)生的水力原理看，與尾水管渦帶一樣，所有混流式水輪機偏離最優(yōu)工況后，必然要發(fā)生葉道渦。葉道渦的頻率與轉(zhuǎn)頻一致，而甘然電站出現(xiàn)的異常聲音發(fā)生在部分負荷，與轉(zhuǎn)頻無關(guān)，因此可以判定異常聲音不來自葉道渦。

4.4.2 卡門渦

流體在經(jīng)過非流線型物體或者具有出流厚度的流線型物體時，尾跡部分會產(chǎn)生兩列左右對稱、交替排列、旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，這就是卡門渦。由于卡門渦是交替從出流物體尾部排出，因此對出流物體會產(chǎn)生一個周期作用力。當卡門渦頻率與葉片某一階頻率一致時，就會產(chǎn)生共振從而導致葉片裂紋及異常聲音?？ㄩT渦的頻率與流速和分離點厚度有關(guān)，具體公式如下∶

d——分離點的厚度，m；包括分離點物體厚度和分離點邊界層厚度；經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片出口的卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪水下固有頻率比較接近，因此可以初步判定葉片卡門渦是誘發(fā)異常聲音和葉片裂紋的原因。

4.4.3 頂蓋強迫補氣

在導葉后轉(zhuǎn)輪前的位置上，接入0.9MPa的壓縮空氣，用以破壞葉片卡門渦的形成。實驗表明，當負荷為11MW時，補入少量壓縮空氣進入轉(zhuǎn)輪后，異常聲音立即消除，隨后進行多次變負荷實驗，異常聲音均不再出現(xiàn)，證明葉片出口卡門渦與葉片共振是產(chǎn)生異常的金屬嘯叫聲音的原因，問題得以解決。

從卡門渦頻率計算公式分析，解決問題的另一種方法是修改葉片出水邊型線，減少葉片出水邊流體分離點的厚度，從而提高卡門渦的頻率，以避開與轉(zhuǎn)輪共振頻率。從國內(nèi)其他電站的處理經(jīng)驗看，這是一個較好的處理方法，但是限于甘然電站正處于發(fā)電任務期間，該項解決措施待今后進一步實施驗證。

5 結(jié)論

近些年來，隨著轉(zhuǎn)輪研發(fā)技術(shù)的提高，轉(zhuǎn)輪性能特別是效率有了大幅度的提高。但是轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性問題依然突出，特別是在大型機組上。一般中小型電站由于機組剛度較好，水流較為穩(wěn)定，很少發(fā)生異常聲音及葉片裂紋等問題，土耳其甘然電站在初期運行就出現(xiàn)異常噪音，說明中小型水輪機的穩(wěn)定性依然值得重視。現(xiàn)場經(jīng)過比對試驗，確定是葉片出口卡門渦與葉片共振產(chǎn)生異常金屬聲音，此問題的分析解決也為今后中小型水輪機轉(zhuǎn)輪設計及電站運行提供一定的參考和借鑒作用。

[1]石清華，尹國軍.大朝山電站225MW水輪機轉(zhuǎn)輪卡門渦共振分析[J].東方電氣評論，2005，19（3）：128-131.

[2]高忠信，唐 澍，梁賀志.水輪機固定導葉和活動導葉后的卡門渦頻率研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2005（01）：22-26.

[3]陳金霞，李國偉，劉勝柱，等.葉道渦產(chǎn)生機理及對水輪機穩(wěn)定性的影響[J].大電機技術(shù)，2007（03）.

TK730.8

B

1672-5387（2014）02-0058-03

2013-12-31

杜世平（1976-），女，工程師，從事水輪機設計工作。