李書明，楊 曄，萬 元，曹鳳香

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇南京 210061；2.五凌電力有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410004；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常是大型臥式水電機(jī)組普遍存在的問題，目前國(guó)內(nèi)大型臥式水電機(jī)組轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)疲勞裂紋缺陷的案例分析中，轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常為其中的主要因素[1，2]。湖南某水電站大型臥式機(jī)組自從2000年投產(chǎn)以來，一直都存在轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常的問題，在高負(fù)荷區(qū)，機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)通頻峰峰值甚至超過500 μm[3]，嚴(yán)重影響該電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因而有必要對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，為采用合適的減振手段提供重要依據(jù)。

從目前研究成果上看[4，5]，引起大型臥式水電機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的原因主要有三個(gè)方面：一是機(jī)組運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)、導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確、卡門旋渦、無葉區(qū)壓力脈動(dòng)、導(dǎo)葉開口不均，轉(zhuǎn)輪葉片翼型不一致等水力因素，這是引起機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的外力因素；二是轉(zhuǎn)輪室大多采用薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較弱，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，使轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生變形，從而引起振動(dòng)。三是轉(zhuǎn)輪室一端通過高強(qiáng)度螺栓與燈泡體連接，另一端一般為懸臂結(jié)構(gòu)，容易隨燈泡體一起擺動(dòng)而引起振動(dòng)。

為了辨識(shí)該電站大型臥式水電機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常原因，在分析機(jī)組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用真機(jī)測(cè)試包括穩(wěn)定性試驗(yàn)、應(yīng)力試驗(yàn)、變形測(cè)試等，并結(jié)合有限元建模仿真手段，最終得出剛強(qiáng)度不足是該機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常的原因，為后續(xù)轉(zhuǎn)輪室減振措施的研究提供重要支撐，亦為其他電站類似問題的處理提供重要參考。

1 機(jī)組參數(shù)結(jié)構(gòu)

某電站共安裝9臺(tái)大型臥式水電機(jī)組，機(jī)組具體參數(shù)見表1所示，其總剖面圖見圖1所示[3]。

表1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

該電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪室采用薄壁結(jié)構(gòu)，其通過高強(qiáng)度螺栓與燈泡體剛性連接，長(zhǎng)度為4.235 m，重48.4 t，上游側(cè)法蘭、上游側(cè)喇叭口、球面段、過渡段厚度均為60 mm，擴(kuò)散段40 mm，分為上下兩瓣以螺栓把合。包括法蘭、擴(kuò)散段、合縫面法蘭材料全部為0Cr13Ni5Mo不銹鋼板，在轉(zhuǎn)輪室球面段、過渡段、擴(kuò)散段布置3道材質(zhì)為Q235的環(huán)筋，最大綜合應(yīng)力為28.9 MPa。

通過現(xiàn)場(chǎng)安置的在線監(jiān)測(cè)裝置，該電站機(jī)組自投產(chǎn)以來一直存在轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)較大的問題，水平振動(dòng)通頻幅值最大超過500 μm、垂直振動(dòng)通頻幅值超過566 μm，雖然目前為頒布國(guó)標(biāo)界定大型臥式水電機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常故障，但從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況上看，該電站部分轉(zhuǎn)輪室已出現(xiàn)焊縫裂紋現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 機(jī)組總剖面圖

2 機(jī)組真機(jī)測(cè)試

2.1 穩(wěn)定性測(cè)試

對(duì)機(jī)組開展真機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試，在轉(zhuǎn)輪室垂直、水平方向布置三個(gè)振動(dòng)傳感器，測(cè)量機(jī)組不同負(fù)荷下振動(dòng)值的大小，測(cè)試結(jié)果見表2所示，其振動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)見圖2所示。

表2 轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖2 轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)

機(jī)組真機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)過程中，同步測(cè)量機(jī)組槳葉前壓力脈沖，其壓力脈沖值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)見圖3所示。

圖3 槳葉前壓力脈沖隨負(fù)荷變化趨勢(shì)

由表2、圖2、圖3可知，機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)隨機(jī)組負(fù)荷增加逐漸增大，壓力脈沖亦隨負(fù)荷增大而增大，振動(dòng)的主要頻率以4倍頻為主。該機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為78.95r/min，轉(zhuǎn)輪葉片為4個(gè)，4倍頻對(duì)應(yīng)頻率為5.26 Hz，即為葉片頻率，即每片葉片都引起轉(zhuǎn)輪室的受迫振動(dòng)。因此從真機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，引起振動(dòng)的主要原因是來源于水力激振力，是由槳葉前的壓力脈沖引起的。

2.2 應(yīng)力測(cè)試

轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)可分為兩種形式，一是轉(zhuǎn)輪室剛度比較好，由于其燈泡體通過螺栓剛性連接，轉(zhuǎn)輪室隨燈泡體做整體受迫振動(dòng)。二是轉(zhuǎn)輪室剛度不夠，在水壓脈沖下產(chǎn)生變形而引起振動(dòng)。為了辨識(shí)轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的具體形式，并對(duì)轉(zhuǎn)輪室安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)了應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)輪室應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

在機(jī)組轉(zhuǎn)輪室應(yīng)力集中的位置和經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的分瓣面附近的環(huán)向筋板上粘貼應(yīng)變片，共分三圈布置應(yīng)力傳感器，主要測(cè)量轉(zhuǎn)輪室環(huán)向、水平應(yīng)力，獲取在不同工況下轉(zhuǎn)輪室的變形量及應(yīng)力數(shù)據(jù)。圖5為轉(zhuǎn)輪室合縫面處各應(yīng)力值隨負(fù)荷變化關(guān)系。

圖5 轉(zhuǎn)輪室合縫面處各應(yīng)力值隨負(fù)荷變化關(guān)系

過渡段應(yīng)力值、直錐段應(yīng)力值隨機(jī)組負(fù)荷關(guān)系與轉(zhuǎn)輪室合縫面一致，由此可見：

a）應(yīng)力變化趨勢(shì)為隨負(fù)荷增大各個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰峰值逐漸增大，與壓力脈動(dòng)趨勢(shì)一致。

b）按GB/T15468-2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》中對(duì)工作部件需用應(yīng)力的要求，轉(zhuǎn)輪室本體材料為0Cr13Ni5Mo的屈服極限為550 MPa，國(guó)標(biāo)中要求其許用應(yīng)力不大于屈服極限的1/3，該轉(zhuǎn)輪室總應(yīng)力值在允許范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)輪室的裂紋是由于金屬件疲勞引起的。

c）機(jī)組動(dòng)應(yīng)力主要是由于轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙引起的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生，隨著負(fù)荷增大，壓力脈動(dòng)逐漸增大，動(dòng)應(yīng)力也隨之減大。

2.3 變形測(cè)試

為了準(zhǔn)確獲取機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)原因，開展轉(zhuǎn)輪室變形測(cè)試。采用高靈敏度加速度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)輪室變形情況，其測(cè)點(diǎn)布置見圖6所示。

圖6 變形測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖

由圖6知，在球面段、擴(kuò)散段兩圈合計(jì)布置16個(gè)加速度傳感器，每圈等間距布置8個(gè)傳感器，試驗(yàn)過程中，采用帶通濾波方式，獲取傳感器的4倍機(jī)組轉(zhuǎn)頻分量，并采用二次積分獲取測(cè)點(diǎn)的位移量，獲得的兩圈變形見圖7所示。

圖7 4倍轉(zhuǎn)頻下轉(zhuǎn)輪室的工作變形情況

由圖7可知以下兩點(diǎn)：

1）轉(zhuǎn)輪室在機(jī)組葉片臨界頻率（4倍轉(zhuǎn)頻）下的工作變形為四瓣型膨脹變形。

2）對(duì)比轉(zhuǎn)輪室球面段和擴(kuò)散段的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪室球面段的振動(dòng)加速度較擴(kuò)散段的振動(dòng)加速度較大，兩者位移幅度相當(dāng)。

由此可知，轉(zhuǎn)輪室與燈泡體通過高強(qiáng)度螺栓剛性連接，若轉(zhuǎn)輪室以剛體形式整體振動(dòng)，則以螺栓為支點(diǎn)，越遠(yuǎn)離支點(diǎn)，振動(dòng)位移越大，鑒于球面段與擴(kuò)散段振動(dòng)位移幅度相當(dāng)，可基本排除轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)形式為整體振動(dòng)，同時(shí)，球面段較擴(kuò)散段加速度大，即受力大，由于球面段更靠近壓力脈動(dòng)區(qū)，更容易由壓力脈動(dòng)引起的變形，因此可基本推斷轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常是由壓力脈沖引起薄壁結(jié)構(gòu)的變形引起的。

3 有限元分析與計(jì)算

構(gòu)建轉(zhuǎn)輪室的有限元仿真模型如圖8所示，將所測(cè)得的振動(dòng)應(yīng)力作為動(dòng)態(tài)載荷疊加至轉(zhuǎn)輪室（葉片前端）上[4]，模型約束為端部剛性約束，局部細(xì)節(jié)考慮螺栓的變形，獲得的轉(zhuǎn)輪室位移見圖9所示。

圖8 轉(zhuǎn)輪室三維有限元模型

圖9 壓力脈沖作用下轉(zhuǎn)輪室位移

通過有限元仿真可知，轉(zhuǎn)輪室在壓力脈動(dòng)作用下呈四瓣變形模式，與實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)輪室變形狀況基本一致，且最大變形量與轉(zhuǎn)輪室實(shí)際振動(dòng)幅度相當(dāng)。

4 機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)原因分析

通過采用真機(jī)測(cè)試包括穩(wěn)定性試驗(yàn)、應(yīng)力試驗(yàn)、變形測(cè)試等，并結(jié)合有限元建模仿真手段，對(duì)轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常原因進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)輪室X/Y向振動(dòng)激振頻率為4倍轉(zhuǎn)頻（占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)），幾乎無其它頻率成分，且振動(dòng)數(shù)值、壓力脈沖隨負(fù)荷升高而增大，4倍頻的激振力應(yīng)來自于4葉片的轉(zhuǎn)輪在水中旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。

2）機(jī)組動(dòng)應(yīng)力主要是由于轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙引起的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生，隨著負(fù)荷增大，壓力脈動(dòng)逐漸增大，動(dòng)應(yīng)力也隨之增大，但其與轉(zhuǎn)輪室組成材料的屈服強(qiáng)度相差很大，轉(zhuǎn)輪室剛強(qiáng)度的裕度較大。

3）轉(zhuǎn)輪室在機(jī)組葉片臨界頻率（4倍轉(zhuǎn)頻）下的工作變形為四瓣型膨脹變形，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)論基本一致。

4）轉(zhuǎn)輪室變形試驗(yàn)可知，鑒于球面段與擴(kuò)散段振動(dòng)位移幅度相當(dāng)，可基本排除轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)形式為以連接螺栓為支點(diǎn)的整體振動(dòng)。

由此，可推斷機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常的原因?yàn)椋赫w剛強(qiáng)度不足，在機(jī)組運(yùn)行不可避免的壓力脈沖外載荷下，產(chǎn)生周期性的變形，從而引起周期性的大幅度振動(dòng)?？赏ㄟ^對(duì)轉(zhuǎn)輪室加強(qiáng)的方式來降低其振動(dòng)幅值。

5 結(jié)語

本文綜合采用真機(jī)測(cè)試、有限元數(shù)值仿真的方法，對(duì)湖南某電站大型臥式水電機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常原因進(jìn)行診斷與分析，獲得了轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)異常是其本身剛強(qiáng)度不足，在周期性壓力脈沖載荷下產(chǎn)生變形引起的，為該電站投產(chǎn)以來存在的技術(shù)難題提供了技術(shù)支撐，亦可為同類型電站類似問題的分析與處理提供一種可資參考的手段。