馮國柱

（大唐水電科學(xué)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(jī)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(dǎo)水機(jī)構(gòu)、軸承等。管型座為主要支撐，燈泡頭下端和兩側(cè)設(shè)有輔助支撐，所有支撐將機(jī)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(dǎo)結(jié)構(gòu)為主，設(shè)有發(fā)電機(jī)組合軸承和水導(dǎo)軸承，承受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)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(jī)豎井，整體呈懸臂結(jié)構(gòu)。

和其他水輪發(fā)電機(jī)組一樣，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)主要由水力、機(jī)械、電磁原因引起，正常范圍內(nèi)的振動(dòng)不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不良影響。但是異常、幅值較大的振動(dòng)，會(huì)不利機(jī)組的正常運(yùn)行或引發(fā)機(jī)組和廠房的損壞。因此，對(duì)機(jī)組的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試、分析，界定機(jī)組全水頭振動(dòng)區(qū)的工作，有利于掌握機(jī)組運(yùn)行特性，指導(dǎo)機(jī)組在安全性基礎(chǔ)上穩(wěn)定運(yùn)行。

1 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)

1.1 水力激振力

（1）偏離最優(yōu)工況

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

機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配通常是由于水輪機(jī)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)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(cuò)誤、調(diào)速器協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)寫入錯(cuò)誤、原始協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)密度不足而使用插值計(jì)算產(chǎn)生的誤差等原因造成。機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配，會(huì)使葉片的進(jìn)口水流產(chǎn)生沖角，對(duì)葉片造成水流沖擊，進(jìn)而造成主要以水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室處為主的異常振動(dòng)。

導(dǎo)葉開度過小，即小開度區(qū)，通常是指在不同運(yùn)行水頭下，機(jī)組還未進(jìn)入當(dāng)前水頭下的協(xié)聯(lián)工況時(shí)，水輪機(jī)內(nèi)部的壓力脈動(dòng)主要受到葉片通過頻率（葉片數(shù)與機(jī)組一倍轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的乘積）以及低頻脈動(dòng)（渦帶脈動(dòng)）的影響。而葉片通過頻率的影響實(shí)際上也是一種動(dòng)靜干涉，這部分內(nèi)容會(huì)在下文詳細(xì)說明。

導(dǎo)葉開度過大，即大開度區(qū)，是指導(dǎo)葉開度90%～100%的工況范圍。多數(shù)出現(xiàn)在水輪機(jī)運(yùn)行水頭低于額定水頭的情況下。在這種情況下，機(jī)組的導(dǎo)葉開度可以達(dá)到90%～100%，其產(chǎn)生的振動(dòng)是在水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況比較遠(yuǎn)時(shí)產(chǎn)生的。在大開度區(qū)，槳葉開度早已達(dá)到最大，而導(dǎo)葉開度的不斷增大，使得葉片進(jìn)口水流沖角變化，當(dāng)沖角超過一定值時(shí)，就會(huì)在葉片產(chǎn)生水流沖擊，大開度的影響實(shí)際上也是一種協(xié)聯(lián)不匹配的影響。在真機(jī)振動(dòng)測(cè)試過程中，大部分機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系都是在導(dǎo)葉開度接近90%時(shí)輪葉就已達(dá)到滿開度，所以在繼續(xù)增加導(dǎo)葉開度時(shí)，機(jī)組的水導(dǎo)擺度、水導(dǎo)軸承座的振動(dòng)、轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)、機(jī)組噪聲等都有一個(gè)明顯增大的趨勢(shì)。

還存在由于某些原因，電站的下游水位降低較多，導(dǎo)致了水輪機(jī)運(yùn)行水頭增大，引起水輪機(jī)空蝕余量減小，容易產(chǎn)生空蝕，振動(dòng)加劇。

而進(jìn)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(jìn)水部位會(huì)產(chǎn)生不同形態(tài)的漩渦，進(jìn)而在流道中產(chǎn)生氣泡，氣泡在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的破裂會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)等問題，而嚴(yán)重的堵塞也會(huì)引起水頭損失，造成機(jī)組協(xié)聯(lián)不正確，加大機(jī)組的振動(dòng)。例如廣西某電站，3 號(hào)機(jī)組為靠近擋水邊墻的一臺(tái)機(jī)組，河面漂浮物都聚集在3 號(hào)機(jī)組進(jìn)水?dāng)r污柵處，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，發(fā)現(xiàn)上游進(jìn)水口處有漩渦水流，隨著負(fù)荷的增大，漩渦水流不斷增大，機(jī)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(jī)組出力也極不穩(wěn)定，有功功率波動(dòng)較大，漩渦帶進(jìn)流道的氣泡沖擊轉(zhuǎn)輪室，致使機(jī)組運(yùn)行更加不平穩(wěn)，振動(dòng)、噪聲均變大，水導(dǎo)軸承座徑向振動(dòng)超標(biāo)，轉(zhuǎn)輪室外殼徑向振動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)輪偏心、導(dǎo)葉或葉片型線問題、導(dǎo)槳葉開度不均勻等問題導(dǎo)致的水流不穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生水力不平衡，其特點(diǎn)明顯，主要引起機(jī)組的振動(dòng)都是以轉(zhuǎn)頻為主，尤其在水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室等部位產(chǎn)生的振動(dòng)影響最明顯，其相關(guān)部位的振動(dòng)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(jī)尾水管內(nèi)會(huì)形成一螺旋狀偏心渦帶，旋轉(zhuǎn)方向與機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向相同，水輪機(jī)內(nèi)部的低頻壓力脈動(dòng)是由尾水管渦帶引起的，其壓力脈動(dòng)的頻率通常為轉(zhuǎn)速頻率的1/3～1/5。

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

（4）動(dòng)靜干涉

動(dòng)靜干涉引發(fā)的壓力脈動(dòng)的頻率是固定的，轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)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(dǎo)葉、葉片和機(jī)組旋轉(zhuǎn)疊加引起的動(dòng)靜干涉頻率取決于機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，其經(jīng)驗(yàn)公式為f=（Z0Z1n）/60K，式中f為脈動(dòng)頻率（Hz）；n為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；Z1為葉片數(shù)目；Z0為導(dǎo)葉數(shù)目；K為Z0和Z1的最大公約數(shù)。

動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)在燈泡貫流式機(jī)組中較為常見，可引發(fā)水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室等部位的振動(dòng)，某些過大振動(dòng)和交變力還會(huì)引發(fā)機(jī)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(yàn)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(yàn)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(dǎo)葉的某階固有頻率耦合，就會(huì)產(chǎn)生共振，會(huì)造成單一頻率的高頻振動(dòng)，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(duì)于低水頭的貫流式機(jī)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(xiàn)。

（6）狹縫射流

狹縫射流實(shí)際是動(dòng)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(shí)，會(huì)形成一股射流，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的過程中，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)于靜止的轉(zhuǎn)輪室壁形成了特定的壓力脈動(dòng)和對(duì)轉(zhuǎn)輪室壁的周期性交變力，最終會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞。這種脈動(dòng)和振動(dòng)的頻率為：f=（Z1n）/60，式中f為脈動(dòng)頻率（Hz）；n為水輪機(jī)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(huì)發(fā)生更大程度的振動(dòng)。

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

1.2 機(jī)械激振力

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

主要有機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡、因轉(zhuǎn)輪室變形或其他原因，導(dǎo)致的水輪機(jī)掃膛、軸線不佳或?qū)лS承缺陷導(dǎo)致。而某些結(jié)構(gòu)部件的裂紋也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組在某些特定工況下產(chǎn)生異常的振動(dòng)。例如陜西省某水電站機(jī)組停機(jī)加閘時(shí)振動(dòng)較大，原因主要是由于制動(dòng)器支臂“工”字鋼梁出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致制動(dòng)器支臂振動(dòng)大，進(jìn)一步導(dǎo)致燈泡頭處振動(dòng)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(dòng)幅值和機(jī)組勵(lì)磁電流成正比關(guān)系，振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速頻率或其整倍數(shù)。

因次諧波、負(fù)序電流、支路環(huán)流、定子鐵心疊片松動(dòng)、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(dòng)頻率主要為100 Hz。

2 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)區(qū)界定

目前對(duì)于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)區(qū)劃分方法，以測(cè)試全水頭下機(jī)組各部位的振動(dòng)以及流道中的壓力脈動(dòng)為主，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以水力激振力引發(fā)的振動(dòng)原因?yàn)橐罁?jù)劃分。而機(jī)械激振力和電磁激振力引起的異常振動(dòng)，只作為一種機(jī)組臨時(shí)故障對(duì)待，如故障短期內(nèi)不能處理消除，才考慮將其引起的振動(dòng)作為劃分振動(dòng)區(qū)的參考依據(jù)，當(dāng)此故障最終消除時(shí)，需要重新測(cè)試并劃分振動(dòng)區(qū)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

目前對(duì)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的各部位振動(dòng)允許限值的標(biāo)準(zhǔn)，做出具體規(guī)定的主要有GB/T 15468《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》、GB/T 7894《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》、DL/T 827《燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T 11348.5《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定 第5 部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》。上述標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)機(jī)組各部位振動(dòng)允許值的規(guī)定略有差異，主要是對(duì)機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的界定方面有所不同，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)匯總，對(duì)貫流式機(jī)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(jī)組各部位的振動(dòng)分別對(duì)應(yīng)不同的允許值，統(tǒng)計(jì)詳見表1。

表1 燈泡貫流式機(jī)組各部位振動(dòng)允許值匯總

另外，機(jī)組的水輪機(jī)模型試驗(yàn)報(bào)告、水輪機(jī)原型運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線以及機(jī)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(jī)組振動(dòng)區(qū)參考的依據(jù)。

2.2 測(cè)試方法

依據(jù)GB/T 17189《水力機(jī)械（水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)）振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場測(cè)試規(guī)程》的相關(guān)要求和方法，在各水頭、各運(yùn)行工況下對(duì)機(jī)組的各部位振動(dòng)和壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)對(duì)水導(dǎo)軸承座、組合軸承座、燈泡頭、轉(zhuǎn)輪室外殼、受油器進(jìn)行絕對(duì)振動(dòng)測(cè)試；對(duì)水導(dǎo)軸承處大軸、發(fā)導(dǎo)軸承處大軸進(jìn)行相對(duì)振動(dòng)（擺度）測(cè)試；對(duì)轉(zhuǎn)輪室壓力脈動(dòng)、尾水壓力脈動(dòng)等進(jìn)行測(cè)試；如有條件，可對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的噪聲同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。整個(gè)振動(dòng)區(qū)測(cè)試建議開展轉(zhuǎn)速調(diào)整試驗(yàn)、勵(lì)磁調(diào)整試驗(yàn)、多水頭下的負(fù)荷調(diào)整試驗(yàn)，詳見表2。

表2 燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)區(qū)測(cè)試項(xiàng)目

2.3 界定方法

振動(dòng)區(qū)測(cè)試過程中，首先需判斷機(jī)組是否有因機(jī)械或電磁因素引起的異常振動(dòng)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?zèng)Q定是否開展下一步的測(cè)試工作。如測(cè)試過程中機(jī)組有明顯協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配的現(xiàn)象，需進(jìn)一步分析研究是否優(yōu)化協(xié)聯(lián)后再開展振動(dòng)區(qū)測(cè)試工作。

測(cè)試工作完成后，以主軸擺度、水導(dǎo)軸承座振動(dòng)、組合軸承座振動(dòng)、燈泡頭振動(dòng)、流道壓力脈動(dòng)為主，轉(zhuǎn)輪室外殼振動(dòng)、受油器振動(dòng)為輔，對(duì)機(jī)組各工況下運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組的整體運(yùn)行情況和穩(wěn)定水平進(jìn)行大致的判定。

針對(duì)存在測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍的情況，則需從水力、機(jī)械、電磁3 個(gè)因素對(duì)其進(jìn)行原因分析，再綜合考慮超標(biāo)測(cè)點(diǎn)部位的重要程度、數(shù)據(jù)超標(biāo)嚴(yán)重程度以及機(jī)組長期運(yùn)行后給此超標(biāo)部位造成的破壞程度，來判斷是否把此部位振動(dòng)超標(biāo)時(shí)的負(fù)荷工況作為振動(dòng)區(qū)。對(duì)于水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室以及燈泡頭、流道等水力振動(dòng)因素成分較多的部位，更需重點(diǎn)分析考慮。另外，要考慮每個(gè)部位在不同負(fù)荷工況下的振動(dòng)程度的趨勢(shì)，對(duì)于趨勢(shì)平緩的，則重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)是否超標(biāo)的情況；對(duì)于趨勢(shì)有突變的，則要考慮其振動(dòng)數(shù)據(jù)突變的原因和影響。例如某電站2 號(hào)機(jī)組在某水頭下的振動(dòng)區(qū)測(cè)試過程中，水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)在各負(fù)荷工況下均超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，在20 MW 工況點(diǎn)后其振動(dòng)幅值突變呈快速上升趨勢(shì)，見圖1。分析其振動(dòng)原因?yàn)樗Φ皖l振動(dòng)為主，但水導(dǎo)擺度幅值并不大，綜合分析為水導(dǎo)軸承整體支撐強(qiáng)度不足，產(chǎn)生一定的晃動(dòng)，所以水導(dǎo)軸承的絕對(duì)振動(dòng)幅值略大，但在20 MW 工況點(diǎn)后，機(jī)組導(dǎo)葉開度加大，屬于導(dǎo)葉開度過大引起的異常振動(dòng)，所以20 MW 工況點(diǎn)后的區(qū)域，就要綜合考慮是否劃分為振動(dòng)區(qū)域。

圖1 某電站2 號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承振動(dòng)隨有功變化趨勢(shì)圖

如機(jī)組測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)均不超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，除了分析各部位的振動(dòng)原因外，也要考慮是否存在不同負(fù)荷工況下有振動(dòng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)突變的情況。另外也要參照水輪機(jī)原型運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，對(duì)于不在原型運(yùn)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(dòng)區(qū)域。同時(shí)也可參照水輪機(jī)模型試驗(yàn)報(bào)告、機(jī)組采購合同保證值等，對(duì)機(jī)組的振動(dòng)區(qū)進(jìn)行劃分。劃分流程圖詳見圖2。

圖2 全水頭振動(dòng)區(qū)劃分流程圖

根據(jù)不同電站不同機(jī)組的振動(dòng)區(qū)測(cè)試結(jié)果，燈泡貫流式機(jī)組的振動(dòng)區(qū)主要有以下幾個(gè)區(qū)域：機(jī)組進(jìn)入?yún)f(xié)聯(lián)前的小開度工況；尾水渦帶影響嚴(yán)重的工況；狹縫射流影響嚴(yán)重的工況；槳葉開度達(dá)到最大后繼續(xù)增加導(dǎo)葉開度的大開度工況；由于機(jī)組自身原因（進(jìn)水情況不佳）導(dǎo)致的偏離最優(yōu)工況較嚴(yán)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(jī)組振動(dòng)的主要原因，包括水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況、水力不平衡、渦帶、動(dòng)靜干涉、卡門渦以及狹縫射流6 個(gè)方面。另外機(jī)械激振力和電磁激振力原因也是引起機(jī)組的振動(dòng)原因。機(jī)組振動(dòng)區(qū)測(cè)試和界定工作主要依據(jù)國標(biāo)、行標(biāo)，根據(jù)多年的振動(dòng)區(qū)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，歸納出燈泡貫流式機(jī)組的振動(dòng)區(qū)主要有機(jī)組進(jìn)入?yún)f(xié)聯(lián)前的小開度工況、尾水渦帶影響嚴(yán)重的工況、狹縫射流影響嚴(yán)重的工況、槳葉開度達(dá)到最大后繼續(xù)增加導(dǎo)葉開度的大開度工況、由于機(jī)組自身原因（進(jìn)水情況不佳）導(dǎo)致的偏離最優(yōu)工況較嚴(yán)重的工況。