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1、专业好文档水轮发电机组异常声响成因探讨水轮发电机组异常声响成因探讨 王卫斌摘要：摘要： 本文对城关电站机组空载转动时，所发生的异常声响作一简述性介绍。 对形成声响的机理分析，可能有谬误之处，请见谅指正。目的仅是抛砖引玉， 敬请有关专家对城关电站机组的异常声响能予以重视，各抒见解，期望最终能 得出主导性的成因源，并能获得问题的正确答案及解决。 关键字：关键字：水轮发电机 周期性异常声响 现象解释一、水轮发电机组主要参数一、水轮发电机组主要参数水轮机：发电机（1）型号：灯泡贯流式 GZ4BN28A-WP-490 （1）型号：SFWG16- 60/5430（2）主轴布置形式：卧轴、两支点双悬臂（2）
2、额定电流：100 R/MIN（3）转轮直径：D1=4.9m （3）额定电压：6300V（4）额定水头： 8.8m （4）额定功率：1600KW（5）额定出力: 1650KW （5）额定功率因素：0.9（6）额定流量：206.1m3/S （6）额定转速：100R/MIN（7）最大飞逸转速:348.7 R/MIN （7）额定频率：50HZ（8）最高效力：94.93%（9）吸出高度：- 6.72m（10）水轮机安装高程：97m二、机组的异常声响二、机组的异常声响九九年十二月四日一号机进行首次启动，当转速达到 84 转/分时，发现在 转轮室发出轻微的类似金属的碰撞声，声响频率与机组转速同步，随机组转速
3、 上升，声级随之增加，转速达到 88104 转/分时，异常声响达到高峰，括擦声 淹盖水流声，转速升至 108 转/分以上，异常声响又渐渐消失，机组转动呈现正 常状态。根据声响症状，且与机组频率一致的特点，当时认为是结构性的机械声响， 而且主要部位在转轮室。然之进行流道检查。检查发现转轮室的油漆有块状剥 落，呈现金属光泽面。在浆叶上方的转轮室顶部，120 度范围内，有类似磨擦专业好文档痕迹，紧靠浆叶中心线下游方有一块较大磨擦区，其余部分面积较小，转轮室 下底部也有较小的擦痕。此外，在浆叶的转动区域外也有明显的脱漆现象。检查转轮浆叶外缘端面，也发现个别浆叶有类似磨擦症象，判别为浆叶与 转轮室边壁存
4、在间隙磨擦。当即对浆叶出水边的外缘进行局部打磨 0.5mm 。机 组再次充水空载启动，但声响依旧，无任何变化。转轮室的油漆脱落面基本相 同，只是面积大小、以及位置略有变化。为探明周期性声响的原因，继而对水轮机的转动部件，如：浆叶与转轮连 接螺丝、转轮与主轴的连接螺丝、主轴密封等，凡可能造成机械松动或相碰磨 擦的部位作了全面仔细的检查及处理。而且在检查过程中，采取了各种保证措 施，排除并否定了机械性磨擦的因素。机组继续各项启动程序试验 ，测试值均符合标准规定。在做发电机短路试 验时，励磁电流加至一定值后，机组的异常声响突然消失。机组并入电网后 （未带负载），声响也聚然停止，从感觉上与正常机组一样
5、。机组有无声响时 的摆度、振动无明显变化，都在正常范围内。但是各监视表计的指针有明显颤 抖现象，颤动频率是否与声响频率一致，暂无法定论，但这与声响应可能有必 然的内在联系。机组振动、摆度测量值：组合轴承振动：0.01mm水导轴承振动: 0.04mm水导处大轴摆度: 0.10mm转轮室振动-水平: 0.03mm 垂直: 0.04mm三、机组声响的成因探讨及现象解释三、机组声响的成因探讨及现象解释1、基本成因探讨通常，水轮机在空载运行时，常会出现不稳定现象，除调速器品质之外， 与水轮机的水力方面因素有关，主要与叶型有关。一是叶片的扭角，二是叶栅稠密度。 叶片扭角小，叶栅稠密度大的叶型，其空载运行稳
6、定性要好一些。贯流机的转 轮叶片数量相对较少（本机组是 4 叶片），叶栅稠密度较小，客观上其空载运 行的稳定性较差。通俗解释，也就由于浆叶比较稀疏，对水流的制约作用小， 流经浆叶的水流流态不是完全均衡，随之产生水力不平衡。一号机组在空载额定转速下，手动改变浆叶的旋转角，试图改变协联工况 消除声响，但没有效果。由此可知，“非协联工况”并不是空载时声响的主要根 源。水轮机在空载运行时，由于导叶开度很小，进入水轮机的水流偏离最优工专业好文档况较远。从叶型上考虑，由于水力设计因素，流经浆叶后的水流，形成周期性 脉动紊流。该脉动紊流，既激振转轮浆叶，又扫击转轮室边壁，产生机组的异 常声响。这种连续的脉动
7、紊流通常称为“涡列”或“涡流”。（A） 叶型涡列叶型涡列是水流流经叶片时发生脱流而引起的涡列，水轮机在非设计工况 下运行叶片的绕流条件不良。此外，叶片出口边边界层从壁面分离，这两者导 致转轮出口处形成脱流旋涡，旋涡在弹性叶片后面以非对称的形式上下交错地 被释放到尾流中，即构成涡列，见图一。但这种涡列与常见的卡门涡列不完全 相同。因为转轮浆叶在转动时，实际构成一组无限的移动叶栅，转轮在旋转过程中，每一叶片的尾部水流都会被位于其后的旋转叶 片所切断，亦即单个叶片的脱流要受到移动叶栅的影响。这种连续切断尾流的 结果，会加速脱流的形成速度，增强涡列的强度。图一 叶片的脱流和涡列示意图随着涡列的不断出现
8、，同时产生垂直于流向的交变侧向力，即不均衡的侧 向力，这种交变侧向力作用于弹性叶片尾缘上。(注：对贯流式转轮的叶片结构 形状，在力特性上，通常可作为一个弹性体考虑，就本电站机组的浆叶结构， 尤显单薄，比国内生产的叶片在厚度上相对薄得多)。逐渐激起叶片尾部（浆叶 出口边）的振荡，由于叶片尾部振荡的反馈作用，叶片附近的水流受到激发和扰动。这种受到激发和扰动的水流，又会反作用于叶片上，增加叶 上的周期性脉动压力，如此反复激励，使涡列不断增强，同时使叶片出口边产 生大幅振荡。当某一叶片旋转到某一位置，由于边界条件的改变，受到激发和 扰动的水流突然释放积累能量，或叶片振荡幅度发生突然变化，从而导致产生
9、异常声响。叶型涡列，本身具有较大的水力能量，涡列中的水流质团是以高频的不规 则状态进行运动，涡列中的水质体是一个高能质团，一旦涡列的边界条件改变， 就会以撞击的形式释放固有能量。如遇到转轮室边壁，亦可能发出类似金属撞 击的声响。不论何种型式的水轮机，在非设计工况运行时，均会产生叶型涡列，但一 般情况下，涡列脱离叶片后进入尾水管，并汇集成旋转状涡流带。旋转过程中 可能不断扫动尾水管边壁，引起尾水管的压力脉动和振动,同时也产生周期性的 声响。但在这一点上，城关机组的声响与之有本质的区别。专业好文档尾水管内的涡带引起的振动具有以下特点：A涡列脱离叶片后汇集成运动涡带，并具有一个正向环量，也就是有一个
10、与叶片转向相同的旋转速度量，这个环量使涡带形成螺旋状流向下游，同时 涡带在旋转过程中不断扫动尾水管边壁。B尾水管内涡带的扫动频率相对较低，其周期与尾水管内的压力脉动基本相同。据不完全统计，水轮机尾水管的压力脉动频率：f S =（n H / 3）（n H / 5）城关电站机组的额定转速为 100 转/分。由些推算，尾管涡带的脉动频率的 范围约是 33 至 20 次/分，明显低于转轮室实际声响频率，故可确定异常声响并 非是由于尾水管压力脉动引起。在理论上，城关电站水轮机的声响与通常水轮 机尾水管的压力脉动声响，都起源于叶型涡列，起源机理相似，但城关电站机 组的反映现象、造成结果方面有质的区别。本文
11、认为浆叶出水边的涡列作用是机组的异常声响的基本根源。这些涡列 在尚未进入尾水管形成低频旋转涡带前，由于浆叶振幅突变、或涡列扫击转轮 室边壁时产生异常声响，由此产生的声响频率是与机组转速相同。当转速为 88104 转/分时，“产生涡列-叶片激振-强化涡列”的相互作激励程度最强， 声响噪音最强。从各种迹象推测，机组在额定空转状态时，估计四个浆叶中的一个叶片或 二个叶片所产生的组合涡列为主导作用，否则声响频率将是机组转速的倍数关 系，仅凭听觉难以区别。（B）间隙涡列根据实践运行表明，在叶片外缘与转轮室之间的缝隙区域，其流态也是水 轮机中最为不利的部位之一。曾对几种间隙形状进行了研究。并绘出了轴流式
12、（同贯流式）转轮浆叶端部间隙形状和压力分布及流态曲线，如图二所示：专业好文档图二 贯流式浆叶端间隙形状和流态、压力分布示意图图中（a）的 A 型间隙的断面形状不佳，在间隙进口处，因水流突然收缩， 压力急剧下降，引起进口部分的强烈扰动及气蚀破坏。在间隙出口处，因水流 突然扩散，引起脱流旋涡。而且在旋涡未远离之前，直接作用于叶片出口边壁 和转轮室边壁，引起水力脉动和气蚀破坏。城关机组浆叶与转轮室间隙采用 A 型间隙。图中（B）的 B 型间隙，也会产生很大的压力降。因其流道出口为扩散形， 在出口处也会产生脱流旋涡引起出口处的水力脉动和气蚀。图中（C）的 C 型间隙形状有较佳的流态和间隙压力分布，因进
13、口有较大 的半径的园弧，可以避免水流突然收缩引起的压力急剧下降，而平直的出口间 隙可使可使出口脱流旋涡远离叶片边壁和转轮室边壁。2、基本现象分析为查找声响原因的过程中，机组曾多次启动、多次流道检查。对所谓的磨 擦区，即油漆剥落区的分布进行仔细观察，虽然每次脱落的具体位置并不完全 重复，而变化不大。在分布上也有一个显著的特点，集中在转轮室的上方，在 下部是小面积的星状分布。而且所有的油漆脱落区大都在浆叶空载开度时的投 影区平面内（稍靠下游侧），而在浆叶转动范围以外的区域，也有局部较大的 油漆剥落现象。经仔细观察，漆膜是成断裂状掉落，油漆的边界明显，边界基本上由相互 垂直的短直线段组成，且无被削薄
14、的迹象。此外，对油漆脱落后的金属表面仔 观察，发现金属呈现新鲜光泽，工厂内的机加工刀痕清淅可辨，无任何刮擦、 剂压或微小变形现象，周围漆层表面未发现有机械性的撞击痕迹。脱漆边界放 大示意如图三所示。图三 脱漆边界放大示意图由此判断，脱漆现象主要是间隙涡列产生的间隙气蚀作用，其次是叶型涡 列撞击转轮室时将漆膜击落。从图二（A）中看出，水流经浆叶间隙，在间隙 后部产生一个负压区，但浆叶是在连续转动，当浆叶未扫过时的压力又是较高 的正压，这样使漆膜受到交变压力的作用，致使漆膜与金属表面脱开。尤其是 在负压的作用下将漆层拉断吸落。另外由于叶型外缘的涡列作用，不断扫击转 轮室边壁，也加速漆膜的脱落。由于
15、漆膜的脆性，及机械加工刀痕的影响，所 以脱漆边界大都是与刀痕方向平行或垂直。专业好文档由于机组运行时间较短，因此只是暴露出金属表面，间隙气蚀的破坏后果 尚未显露。至于只发生在转轮室上部的原因，在产生间隙涡列的同时也产生间 隙气蚀，由于卧式灯泡贯流机组，因直径较大，转轮上部与下部的淹没深度差 别显著，转轮室上部的气蚀性能较下部差得多，因此上部的间隙气蚀破坏为烈。3、在浆叶转动区外的转轮室边壁脱漆现象图四 转轮室球形状示意图在机组的检查过程中，浆叶转动区外的转轮室边壁有星状的掉漆现象。主 要应从贯流机组结构，尤其是转轮室形状进行分析。主要是转轮室与浆叶的转 动区为球形状，浆叶与转轮室间隙产生涡列，
16、随水流后移，部份涡列直接撞到 转轮室的后部，从而产生落漆现象。浆叶出水边外缘产生的涡列出于同样原因， 也会造成浆叶转动区外的转轮室边壁产生落漆现象。4、气蚀声响与异常声响的关系气蚀在形成的机理上是一种复杂的物理、化学现象，同时与水的汽化压力 和水中空气含量、水的表面张力等因素有关。严重的气蚀会破坏水轮机转轮和 尾水管等过流部件，并在尾水管内产生强烈的周期性噪声和振动，使水轮机运 行不稳定。但从城关电站机组异常声响的特征判别，并不是由于气蚀所产生，而是不 平衡脱流涡列所造成，气蚀与异常声响之间不存在直接的因果关系，气蚀所造 成的破坏是微观量的破坏，气泡破裂撞击金属表面是随机性的，因此所产生的 声响也是无规则的。四、异常声响与发电机电磁埸的关系四、异常声响与发电机电磁埸的关系一号机在启动程序试验过程中，发现一个特殊现象，当发电机做短路试验， 励磁电流达到一定值时、或机组并网后，异常声响聚然消失。这说明电磁埸对 机组的异常声响有着直接的关系。水轮发电机组根据物理性能可分为四个系统：专业好文档1，水流系统 2，机械转动系统（弹性振动系统） 3，机械固定系统 4，电
