梁明華，任中秋，丁 新

(中國水利水電十一局，河南 鄭州 450001)

0 引 言

水輪發(fā)電機組在運行時出現(xiàn)振動是非常普遍的現(xiàn)象，也是不能完全避免的；其產(chǎn)生的原因主要來自于設(shè)計、制造、安裝、運行時電網(wǎng)穩(wěn)定程度等多個方面。通過對比近年來多座水電站機組運行情況，發(fā)現(xiàn)其大部分主要是制造缺陷、安裝精度不足等導(dǎo)致；本文涉及的卡門渦問題，就是其中之一。

卡門渦引發(fā)水輪機共振問題，在前些年國內(nèi)某些電站也多次出現(xiàn)過。近年來，隨著國內(nèi)學(xué)者以及水輪發(fā)電機組生產(chǎn)廠家對這一問題的深度研究，卡門渦共振問題出現(xiàn)頻次逐漸減少。當(dāng)然，這只是在制造前期根據(jù)預(yù)設(shè)的相關(guān)參數(shù)提出針對卡門渦的預(yù)估模型，再通過優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)形式盡可能降低卡門渦出現(xiàn)的可能性。

水力學(xué)因素對水輪機的影響效果是非常復(fù)雜的，在建模分析時受到研究者能力、經(jīng)驗等的影響，并不能百分之百避免卡門渦共振問題。出現(xiàn)卡門渦共振后結(jié)合實際數(shù)據(jù)再對原始模型進行研究分析，必要時對結(jié)構(gòu)進行修磨就顯得尤為重要。

1 概 述

洪都拉斯帕圖卡Ⅲ(Patuca Ⅲ)水電站裝有2臺額定功率為52 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，水輪機型號為ZZD845—LJ—455。設(shè)計水頭36.5 m，最小水頭30.4 m，最大水頭45m，額定流量159.2 m3/s,機組額定轉(zhuǎn)速163.6 r/min。水輪發(fā)電機組在運行時出現(xiàn)高負荷振動區(qū)，即當(dāng)發(fā)電機輸出有功為額定80%以下時機組運行穩(wěn)定；但輸出功率超過這個值并逐漸接近額定輸出時，在發(fā)電機層逐漸出現(xiàn)高頻振蕩的共鳴聲；同時伴隨有發(fā)電機層樓板靠近機組處以及欄桿等處出現(xiàn)振動。

機組運行時，聽見或感覺到異常振動，一般第一反應(yīng)就是看機組測振測擺數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，在這里也是一樣。當(dāng)首臺機組出現(xiàn)共振時通過機組在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、頂蓋等處振動幅值均小于25 μ，各處擺度也都合格(見圖1)。

頂蓋處振動 下機架處振動

利用UT315A便攜式測振儀檢查機組上下機架、定子機座、頂蓋等處其振動規(guī)律與在線監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)一致，停機檢查機組各個部位連接處也都正常。再次開起機組達到滿負荷時，通過對水輪機逐一排查發(fā)現(xiàn)24個活動導(dǎo)葉中靠近+Y方向部分導(dǎo)葉拐臂處振動遠超其他導(dǎo)葉。針對這一情況，現(xiàn)場運行人員架設(shè)百分表進一步監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)正常導(dǎo)葉處表針幾乎不動，在出現(xiàn)振動導(dǎo)葉拐臂處表針出現(xiàn)了0.05～0.08 mm的高頻振動。自此，振動源被鎖定在這幾個活動導(dǎo)葉處。

第二臺機組帶負荷運行時，過程與上述一致，同樣也在靠近+Y處發(fā)現(xiàn)有幾個活動導(dǎo)葉出現(xiàn)高頻振動。為了得到更為準(zhǔn)確的振動特征數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場使用了UT315A型號的便攜式測振儀，主要監(jiān)測活動導(dǎo)葉軸頭處的振動位移波形和頻譜；因為這種設(shè)備的側(cè)頭帶頭磁性吸座，測量時只需將側(cè)頭吸附在活動導(dǎo)葉軸頭處即可。

最終得到的結(jié)果：1號機組振動活動導(dǎo)葉的數(shù)量為3件，位置為自機組+Y軸起順時針方向連續(xù)的3件；其中位于中間的1件活動導(dǎo)葉較兩側(cè)的2件振動更強烈。2號機組振動活動導(dǎo)葉數(shù)為10個，在機組+Y軸兩側(cè)對稱分布，振動現(xiàn)象沒有1號機組強烈。另外，當(dāng)機組出力超過80%負荷(42 MW)后，部分活動導(dǎo)葉出現(xiàn)激烈振動的現(xiàn)象，伴隨著出力的增加，振動感變強。

2 原因分析

對于這種情況的出現(xiàn)，首先考慮的是水輪機固定導(dǎo)葉處卡主異物，異物在水流的沖擊下產(chǎn)生振動再帶動導(dǎo)葉出現(xiàn)同步振動。為了驗證這一說法，根據(jù)檢修流程對水輪機流道內(nèi)部分進行了詳細檢查，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)任何異物；并且與之相關(guān)的各處連接牢固無螺栓松動的情況出現(xiàn)。

在查閱國內(nèi)外文獻資料中發(fā)現(xiàn)同類問題也在其他水電站出現(xiàn)過，也就是卡門漩渦導(dǎo)致的水輪機導(dǎo)水機構(gòu)出現(xiàn)高頻振動。對比卡門漩渦出現(xiàn)的機理，基本把問題出現(xiàn)的原因鎖定在導(dǎo)葉出現(xiàn)的卡門渦振動，只是要最終確定下來還需要進一步驗證；畢竟要處理它是需要在水輪機關(guān)鍵部件上實施破壞的，因此這一步需要特別謹慎。

水流繞過物體時,在出水邊的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦,形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)則交錯排列的旋渦,進而互相干擾、互相吸引,形成非線型的渦街即卡門渦街。當(dāng)卡門渦街的沖擊頻率接近于轉(zhuǎn)動體葉片的固有頻率時,將產(chǎn)生共振,物體發(fā)生頻率比較單一的振動并伴有噪音和金屬共鳴音。

也就是說，導(dǎo)葉要出現(xiàn)卡門渦振動需要具備的前提條件是導(dǎo)葉自身的固有頻率恰好和當(dāng)前工況下出現(xiàn)的漩渦振動頻率一致。為了驗證二者是否會出現(xiàn)頻率吻合，由水輪機生產(chǎn)廠家在其建立好的模型上進行模擬及有限元分析。在分析其數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)無論水流速如何，活動導(dǎo)葉及固定導(dǎo)葉的固有頻率始終維持不變，但是隨著水流速的增加，卡門渦脫開導(dǎo)葉出水邊時的振動頻率卻是在不斷非線性增長。也就是說，有向?qū)~固有頻率不斷靠近的趨勢，并且當(dāng)水流速接近額定流速時，卡門渦的振動頻率保持穩(wěn)定且與導(dǎo)葉固有頻率基本吻合。也就是說，對于本項目的水輪機來講，理論上分析卡門渦引起的導(dǎo)葉振動這一說法是成立的。

3 處理過程分析

根據(jù)前面的分析，要想避開卡門渦振動，可以考慮破壞卡門漩渦脫開導(dǎo)葉出水邊時的頻率或者改變導(dǎo)葉固有頻率。眾所周知，剛性體的固有頻率由其自身材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性決定，但是導(dǎo)葉是水輪發(fā)電機組中調(diào)節(jié)負荷的心臟部位，其質(zhì)量、形狀、材質(zhì)不宜做大的改變，因此改變活動導(dǎo)葉固有頻率的方案不予考慮。那么在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改變卡門漩渦脫開導(dǎo)葉出水邊時的頻率就作為首選方式。

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，針對導(dǎo)葉葉片為相對流速;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。

公式f=S×v/d中可變量v和d分別對應(yīng)于水輪機導(dǎo)葉出水邊的水流速度和導(dǎo)葉出水邊厚度，v和d改變?nèi)魏我粋€變量均可改變卡門渦街頻率，破壞導(dǎo)葉固有頻率和卡門渦街頻率的耦合而帶來的共振。而水輪發(fā)電機組要達到一定負荷就需要相應(yīng)水頭下達到一定流量，在水輪機流道已經(jīng)固定的前提下，水流速度v基本不會改變；相對容易改變是導(dǎo)葉出水邊的厚度d。因此，將通過對導(dǎo)葉出水邊修型處理作以改變導(dǎo)葉出水邊的厚度d的方法作為消除帕圖卡Ⅲ水電站活動導(dǎo)葉振動的方案。

另外，需要注意的是：活動導(dǎo)葉的卡門渦街和活動導(dǎo)葉固有頻率耦合發(fā)生共振從而產(chǎn)生振動；另外水輪機導(dǎo)葉又分為固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉，在機組大負荷運行狀況下固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉間距很小，不能排除固定導(dǎo)葉的卡門渦街作用于活動導(dǎo)葉使活動導(dǎo)葉共振而發(fā)生振動現(xiàn)象。

當(dāng)然，修型方式主要依托水輪機廠家的建模分析，即通過模擬修型計算卡門渦頻率變化來得到各次的修型方案。為此，分為3步對導(dǎo)葉進行修型處理以驗證前面的各項結(jié)論。

(1)選擇1號機作為此次驗證對象，首先選擇2塊固定導(dǎo)葉在其平面?zhèn)韧ê?0 mm×5 mm扁鐵(見圖2)。

圖2 在固定導(dǎo)葉平面?zhèn)韧ê副忤F

再次啟動機組達到額定負荷時發(fā)現(xiàn)振動情況沒有任何改善，表明此種方式不可行。

(2)分別選擇1號機組2塊振動的固定導(dǎo)葉及2塊活動，但是這次采用增加導(dǎo)葉寬度及縮小出水邊厚度的方式，即在出水邊段焊通常的楔形鋼板條(見圖3)。

圖3 出水邊段焊楔形鋼板條

再次啟動機組達到額定負荷時發(fā)現(xiàn)焊接了楔形板條的固定導(dǎo)葉振動明顯減弱，利用便攜式測振儀檢測其振動幅值不大于0.02 mm，表明此種方式可行。但是，活動導(dǎo)葉的振動是否由固定導(dǎo)葉引發(fā)，這一觀點仍然得不到印證。

(3)第三次選擇磨掉固定導(dǎo)葉上的楔形條，活動導(dǎo)葉上的保持不變，再次啟動機組并帶額定負荷后發(fā)現(xiàn)活動導(dǎo)葉的振動較第二次處理條件下有加強的趨勢；利用便攜式測振儀檢測器振動幅值為0.03 mm，個別時間會達到0.04 mm，這說明固定導(dǎo)葉的振動對活動導(dǎo)葉是有一定影響的。

為了進一步優(yōu)化處理效果，固定導(dǎo)葉就采用上述第一步的方式焊接加寬楔形條，活動導(dǎo)葉則在上述實驗的基礎(chǔ)上再次進行建模及有限元分析，最終確定活動導(dǎo)葉修型方式(見圖4)。

圖4 活動導(dǎo)葉修型方式

需要注意的是：在現(xiàn)場焊接時需要嚴格執(zhí)行焊接工藝，保證焊接變形在可控范圍內(nèi)，焊后嚴格執(zhí)行探傷檢查；焊道處打磨光滑以保證活動導(dǎo)葉立面封水邊的封水質(zhì)量。

4 處理結(jié)果及結(jié)論

通過上述處理方法對本項目2臺機組的振動導(dǎo)葉進行了修型處理，通過檢測發(fā)現(xiàn)振動現(xiàn)象已消除，對卡門渦導(dǎo)致的導(dǎo)葉振動處理結(jié)果達到了預(yù)期。為了更加直觀的體現(xiàn)出處理前后振動的變化趨勢，這里將處理前后的振動實測數(shù)據(jù)歸納如下所示(見圖5)。

至此，卡門渦引起的機組活動導(dǎo)葉振動問題已全部處理完畢。通過現(xiàn)場實測結(jié)合理論數(shù)據(jù)、模型分析對比分析加速了查找問題根源的速度，提高了現(xiàn)場問題的解決效率。

對固定導(dǎo)葉及活動導(dǎo)葉出水邊進行修型可破壞原有卡門渦振動與導(dǎo)葉固有振動之間的高度擬合，從而消除卡門渦共振問題，使得機組運行更趨于平穩(wěn)?？ㄩT渦振動問題對于水輪機導(dǎo)葉這類繞流結(jié)構(gòu)是不可避免的，但是在機組前期建模分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中通過嚴謹?shù)挠邢拊治黾敖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化(尤其是導(dǎo)葉脫流區(qū)域的幾何形狀優(yōu)化)可最大限度地降低卡門渦共振出現(xiàn)的可能性。