劉康榮，孫小兵

（湖南省湘水集團有限公司大源渡分公司，湖南 衡陽 421200）

1 引言

貫流式水輪機是一種開發(fā)低水頭水力資源的臥軸機組，適用于25 m 以下的水頭，其轉(zhuǎn)輪與軸流式相似，有轉(zhuǎn)槳和定槳兩種形式。機組運行時水流在流道內(nèi)基本上沿軸向運動，因此具有較高的發(fā)電流量和水力效率。在所有的貫流式機型中，燈泡貫流式機組在大、中型貫流式機組中應(yīng)用最廣泛，故本文主要針對燈泡貫流式機組的特點進行分析和研究。

振動對水輪發(fā)電機組的運行壽命影響很大，主要體現(xiàn)在金屬構(gòu)件、焊縫及連接螺栓的疲勞破壞上。俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站事故的主要原因，就是在振動區(qū)長時間運轉(zhuǎn)致使機組劇烈振動，頂蓋螺栓金屬疲勞斷裂，進而引發(fā)一系列災(zāi)難性后果。國內(nèi)近年來也出現(xiàn)多起燈泡貫流式機組主軸軸頸裂紋、轉(zhuǎn)輪室裂紋、槳葉裂紋、導(dǎo)葉連桿斷裂等情況，因此控制機組振動在允許范圍（詳見表1）以內(nèi)，是保障機組安全運行的重要措施。

表1 燈泡貫流式機組振動允許值

2 燈泡貫流式機組振動分析

2.1 水力振動

水輪發(fā)電機組依靠水流推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功，通過主軸將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子。因此水力振動是機組振動的主要原因之一，其類型一般有渦帶振動、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確、卡門渦、進水水流紊亂、射流等。

2.1.1 渦帶振動

貫流式機組進水流道中水流流向為機組軸線方向，在通過導(dǎo)葉后產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)分量，此旋轉(zhuǎn)分量與機組轉(zhuǎn)動方向相同，與槳葉角度相反（見圖1）。根據(jù)向量的正交分解原理可知，旋轉(zhuǎn)分量比例與導(dǎo)葉開度成反比關(guān)系，導(dǎo)葉開度越大，導(dǎo)葉與上游來水方向的夾角越小，旋轉(zhuǎn)分量比例越??；反之，導(dǎo)葉開度越小，旋轉(zhuǎn)分量比例越大。

圖2 卡門渦效果圖

在設(shè)計最優(yōu)工況下，水流的旋轉(zhuǎn)分量用于推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功被消耗掉，水流通過轉(zhuǎn)輪后在尾水管中的流向為軸向。當(dāng)機組負荷不在設(shè)計最優(yōu)工況運行時，尾水流會存在一定的旋轉(zhuǎn)分量，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)水流稱為渦帶。特別是在水頭較低且大負荷運行時，導(dǎo)葉開度接近開限，水流通過導(dǎo)葉后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)分量很小，受槳葉反作用力作用產(chǎn)生與機組轉(zhuǎn)向相反的渦帶，此時尾水流道中水流很不穩(wěn)定，并產(chǎn)生較大的壓力脈動，機組振動隨之增大。

2.1.2 協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確

當(dāng)燈泡貫流式機組協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確時，易引起調(diào)速器系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)，機組負荷持續(xù)波動，增加尾水流道中渦帶的產(chǎn)生，機組振動隨之增大。而且，由于導(dǎo)葉的頻繁調(diào)節(jié)使水流產(chǎn)生“頓挫”，推力軸承處將出現(xiàn)較大的軸向振動。如機組凈水頭測量不準，協(xié)聯(lián)關(guān)系與實際情況不符，會加大運行中機組的振動；因機組導(dǎo)葉或槳葉失控失去協(xié)聯(lián)也將加大機組的振動。

2.1.3 卡門渦[1]

卡門渦是流體繞過鈍型物體時，該物體后方會周期性地交替出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向相反、錯落排列的雙列線渦，與此同時，物體也將受到與流向垂直的交變作用力。

導(dǎo)葉和槳葉在發(fā)電運行時會在出水側(cè)后方出現(xiàn)卡門渦，并產(chǎn)生作用在葉片尾部的交變力，引發(fā)機組振動。在交變作用力影響下，槳葉根部、導(dǎo)葉樞軸易產(chǎn)生疲勞裂紋，因此導(dǎo)葉、槳葉都設(shè)計成進水邊厚、出水邊薄的形狀，以此降低卡門渦的影響。

如果導(dǎo)葉或槳葉的連桿關(guān)節(jié)軸承磨損嚴重導(dǎo)致間隙過大，則導(dǎo)葉或槳葉在卡門渦作用下會出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，進一步加大調(diào)速器振蕩和水流不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.4 進水口水流不暢或攔污柵堵塞

在汛期，河水中的水草、垃圾較多，堆積在進水口攔污柵前。如不及時清理，將堵塞攔污柵，使機組有效水頭降低，機組進水口有可能產(chǎn)生立軸漩渦，惡化進口流態(tài)，使進水流道水流不完全是軸線方向，存在一定的亂流。受此影響，機組易出現(xiàn)工作水頭和負荷的波動，引起調(diào)速器持續(xù)振蕩，從而振動加大。

例如湖南某電站4 號機組，固定攔污柵靠近浮式攔污柵末端，汛期經(jīng)常出現(xiàn)垃圾堆積，不乏有大體積雜物，水頭損失最高超過1 m。且4 號機組左側(cè)為泄水閘擋墻，存在流動死角，巡視時可見水流從3號機向4 號機流動（機組前池共用，固定攔污柵安裝在前池前），在水面形成較大立軸漩渦。在同負荷情況下，4 號機組振動明顯大于其他機組。

2.1.5 狹縫射流

在水輪機運行過程中，由于轉(zhuǎn)輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在槳葉和轉(zhuǎn)輪室之間的間隙中，會形成一股射流。由射流的流體特性可知，工作水頭越高，間隙越小，則射流的速度越高，射流邊緣的壓力越低。為減小射流中的微小氣泡的空化效應(yīng)所帶來的空蝕影響，通常槳葉在轉(zhuǎn)輪室側(cè)都有裙邊設(shè)計。在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)輪室壁受到射流-水流的循環(huán)作用，形成了周期性的空化效應(yīng)和壓力脈動，從而產(chǎn)生振動，可能導(dǎo)致疲勞破壞和表面汽蝕。常見有轉(zhuǎn)輪室壁出現(xiàn)疲勞性裂紋[2]，轉(zhuǎn)輪室外的漆膜局部剝落等現(xiàn)象。停機時導(dǎo)葉立面間夾有異物，導(dǎo)葉立面間隙產(chǎn)生的狹縫射流也會引起機組停機狀態(tài)下的異常振動并發(fā)出尖嘯聲。

2.1.6 存在的其他原因

各導(dǎo)葉、槳葉開度不一致，過流面存在異物等情況都易引發(fā)水力不平衡，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的擺動。

2.2 機械和電氣原因產(chǎn)生的振動

（1）主軸撓度

目前燈泡貫流式機組最常用的結(jié)構(gòu)為雙支點雙懸臂型式，即水輪機轉(zhuǎn)輪與發(fā)電機轉(zhuǎn)子共用同一根主軸，在主軸前后分別設(shè)置有水導(dǎo)軸承和發(fā)導(dǎo)軸承，轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)子均為懸臂結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不可避免會產(chǎn)生主軸撓度問題，如果主軸剛度不夠或存在軸頸裂紋等原因?qū)е聯(lián)隙冗^大，會加大轉(zhuǎn)輪運行時的擺度，并使轉(zhuǎn)子氣隙不均勻，在電磁力的作用下加劇機組振動。

主軸撓度可按以下公式進行計算[3]：

W：撓度；

P：轉(zhuǎn)子/轉(zhuǎn)輪重量；

l：轉(zhuǎn)子/轉(zhuǎn)輪中心至導(dǎo)軸承距離；

E：主軸的彈性模量；

I：主軸截面慣性矩，對于空心軸，計算式為：其中D：主軸外徑；d：主軸內(nèi)徑。

以某電站轉(zhuǎn)輪為例，轉(zhuǎn)輪重量P=805 kN，轉(zhuǎn)輪中心至水導(dǎo)軸承距離l=2 375 mm，主軸外徑D=980 mm，內(nèi)徑d=200 mm，彈性模量E=206 GPa，代入上式計算可得轉(zhuǎn)輪側(cè)撓度約為0.39 mm。

（2）機組轉(zhuǎn)動部分存在動不平衡，或者制造、安裝工藝質(zhì)量低，無法滿足相應(yīng)的標準要求，導(dǎo)致機組振動偏大。

（3）定子鐵心、線棒，轉(zhuǎn)子磁極出現(xiàn)位移或松動，電磁力變化使機組產(chǎn)生振動。機組轉(zhuǎn)速、電流大小對振動的強弱影響較為明顯。

（4）緊固件出現(xiàn)松動，固定部件和轉(zhuǎn)動部件由于摩擦而導(dǎo)致振動，這種振動一般較大，且會伴隨著出現(xiàn)金屬撞擊聲（例如槳葉掃膛）。

2.3 機組振動原因的判定

由于水輪發(fā)電機組振動基本上是水力、機械、電磁等各種因素共同產(chǎn)生的，因此要從現(xiàn)場振動頻率、開度和負荷變化情況、振動聲響等方面綜合判斷其主要原因，一般可參考以下幾點：

（1）振動頻率低，頻率和振幅隨導(dǎo)葉開度和機組發(fā)電負荷變化而變化，可能為水力因素產(chǎn)生的振動。

（2）振動波形頻率與機組轉(zhuǎn)動頻率相同，可能為轉(zhuǎn)動機械部件問題引起的振動，如轉(zhuǎn)輪或轉(zhuǎn)子動不平衡、軸線偏差、局部間隙過小等。

（3）主要振動頻率與電網(wǎng)頻率成倍數(shù)關(guān)系[1]，則主要原因可能為電磁因素產(chǎn)生的振動。

3 機組振動的應(yīng)對措施

（1）燈泡貫流式機組由于自身的結(jié)構(gòu)特點，在機組負荷穩(wěn)定時，機組發(fā)電性能好且振動小，水能利用效率高；機組作動態(tài)負荷調(diào)節(jié)時，機組穩(wěn)定性差，水力振動大。因此，燈泡貫流式機組應(yīng)盡量避免機組較長時間參與系統(tǒng)的動態(tài)控制或頻繁調(diào)節(jié)負荷（例如投入AGC、一次調(diào)頻等功能）。

（2）電站可通過機組穩(wěn)定性試驗，劃定機組振動區(qū)，并將其寫入機組監(jiān)控系統(tǒng)程序，運行中自動避開機組振動區(qū)。建設(shè)機組振動、擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)，并定期校驗傳感器，確保在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)真實可靠。運行人員監(jiān)盤時如發(fā)現(xiàn)振動偏高，應(yīng)及時調(diào)整負荷，避開振動區(qū)間。

（3）機組投產(chǎn)后，應(yīng)在廠家提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線基礎(chǔ)上做協(xié)聯(lián)關(guān)系校驗試驗，對協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線進行修正，并將其錄入調(diào)速系統(tǒng)，作為水輪機協(xié)聯(lián)運行的依據(jù)。

定期校驗機組凈水頭測量裝置，保證其測量精度，防止水頭不準造成導(dǎo)葉、槳葉在實際水頭下失去協(xié)聯(lián)；同時對凈水頭程序進行優(yōu)化，手動水頭信號設(shè)定值跟隨自動水頭同步刷新，在凈水頭信號突變時自動水頭與手動水頭的無擾動切換，防止負荷和導(dǎo)葉開度突變。

（4）做好技術(shù)監(jiān)督工作，定期對主軸軸頸、槳葉根部、導(dǎo)葉、重要螺栓及焊縫等進行無損檢測。

由于燈泡貫流式機組的轉(zhuǎn)輪室與尾水管之間設(shè)置有伸縮節(jié)，為非剛性連接，因此導(dǎo)水機構(gòu)外配、轉(zhuǎn)輪室可看作支點為外管型殼的懸臂結(jié)構(gòu)。國標中未對燈泡貫流式機組轉(zhuǎn)輪室振動值作出明確規(guī)定，但轉(zhuǎn)輪室振動對機組安全影響極大，一般情況下，轉(zhuǎn)輪室也是機組受水力振動影響最大的部位，因此轉(zhuǎn)輪室各連接螺栓、結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)是無損檢測的重點部位。

（5）機組檢修時，應(yīng)加強對易受振動損害、易松動部件的檢查。每年應(yīng)測量機組大軸上抬量和軸向竄動量，如果存在機組軸線不正，應(yīng)該在檢修期間調(diào)整軸瓦和軸線來糾正。手動盤車檢查時，如出現(xiàn)自轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，則表明存在動不平衡，可考慮通過動平衡試驗采取轉(zhuǎn)子配重的方法消除。機組檢修時還應(yīng)對槳葉竄動量進行測量，竄動量超標時及時更換槳葉樞軸銅套和抗磨環(huán)。測量和調(diào)整導(dǎo)葉立面和端面間隙，調(diào)整接力器壓緊行程，并保證在規(guī)范要求范圍內(nèi)。檢查導(dǎo)葉連桿關(guān)節(jié)軸承磨損情況，視情況更換。

（6）汛期來水較大，尾水位較高的情況下，應(yīng)根據(jù)機組振動情況適當(dāng)降低機組出力，減小水力振動。及時檢查和清理固定攔污柵前垃圾，既可以降低水流紊亂帶來的振動，也可以消除水頭損失，提高發(fā)電效益。浮式攔污柵布置方式進行優(yōu)化，將其另一端盡量往弧門側(cè)進行延伸，加大其覆蓋水面，避免水流在經(jīng)過浮式攔污柵端部時將污渣集中堆積在該處的固定攔污柵前，造成該機組進水口流態(tài)紊亂。

4 結(jié)語

當(dāng)前，隨著水電在電力系統(tǒng)所占比重的增加，水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要性也隨之提高。振動是影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行的重要因素，因此，機組振動情況是每個電站都應(yīng)該研究和控制的技術(shù)課題。

機組出現(xiàn)了異常振動，要運用科學(xué)的試驗和分析方法，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)來分析異常振動的原因，進行針對性的處理。機組一旦出現(xiàn)超過允許值的振動，應(yīng)盡快調(diào)整機組運行參數(shù)，減少其振動值，甚至停運機組并進行搶修，以防機組發(fā)生嚴重破壞性事故的不良后果。要第一時間發(fā)現(xiàn)機組振動異常，則依賴于及時有效的在線實時監(jiān)測，只有嚴密監(jiān)測和掌握機組的工作狀況，才能保障機組安全、穩(wěn)定、高效運行。