淺析水力原因引起的水輪機振動及其處理方法

胡佳琪

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

水輪機運行中出現振動是常見的現象，但不允許超出振動值。若能將其振幅限制在允許范圍內，就能確保機組安全正常運行。但較大振動對機組安全是不利的，會造成如下危害：a)使機組各連接部件松動,使各轉動部件與靜止部件之間產生摩擦甚至掃膛而損壞；b)引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴大裂縫甚至斷裂；c)尾水管低頻壓力脈動可使尾水管壁產生裂縫；當其頻率與發電機或電力系統的自振頻率接近時，將發生共振，引起機組出力大幅度波動，可能會造成機組從電力系統中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。

2 振動原因分析與處理

振動的水力因素系指振動中的干擾力來自水輪機水力部分的動水壓力。其特征是帶有隨機性，且當機組處在非設計工況或過渡工況運行時，因水流狀況惡化，機組各部件的振動亦明顯增大。由于單位體積水流的能量取決于水頭，所以機組的振動一般是隨水頭的降低而減弱，高水頭、低負荷時振動相對而言較為嚴重。常見的由水力原因引起的水輪機振動有以下幾種：（1）尾水管中水流渦帶所引起的壓力脈動誘發的水輪機振動。混流式水輪機在偏離最優工況運行時，尾水管中將出現渦帶，由此引起水輪機振動，并伴有響聲，常發生在30%～60%額定負荷范圍內。強烈的渦帶可能引起廠房振動；若由渦帶引起的尾水管中的低頻壓力脈動頻率與引水管固有頻率接近，則可能引起引水管強烈振動；如果壓力脈動頻率和水輪機的轉頻接近，則可能引起功率擺動，如鳳灘、柘溪、獅子灘、劉家峽等水電站均存在渦帶引起的振動，常在轉輪出口附近的尾水管上部裝十字架補氣裝置，或軸心補氣，還有采取加長泄水錐或加同軸擴散形內層水管段；近年來，一些大中型水電站在尾水管入口處加裝導流瓦和導流翼板等都可使渦帶引起的振動減輕或消失。（2）卡門渦列引起的振動。當水流流經非流線型障礙物時，在其后面尾流中分裂出一系列變態漩渦，即所謂卡門渦列。這種渦列交替地作順時針或反時針方向旋轉。在其不斷形成與消失過程中，會在垂直于主流方向引起交變的振動力。當卡門渦列的頻率與葉片固有頻率接近時，葉片動應力急劇增大，有時發出響聲，甚至使葉片根部振裂。卡門渦列一般發生在50%額定出力以上的某種工況，如浙江的黃壇口、湖南的水府廟、江西的洪門等水電站均發生過卡門渦列振動，采用改變卡門渦列頻率或葉片固有頻率的辦法，可以減輕卡門渦列振動，如將葉片出水邊削薄或改型，有可能使正背兩面構成的交流漩渦抵消或削弱；同時提高了卡門渦列的振動頻率，使其遠離葉片自振頻率，避免共振，但是葉片削薄改型部分不宜太長，否則會影響翼型的特性，降低效率；尾端圓角應滿足強度要求，不應太小。水府廟水電站采用在葉片之間加焊支撐鋼管，也可以改變葉片的自振頻率，避免疲勞裂紋。（3）轉輪止漏間隙不均勻引起的振動。為了減少高水頭水輪機轉輪的容積損失，通常采用梳齒形止漏裝置，但當結構不合理或間隙過小時，即使主軸很小的偏心或止漏環少量的幾何形狀誤差（如橢圓度、不均勻磨損等），都會引起間隙內壓力的變化和波動。間隙大處其流速較小而壓力較大，間隙小處則相反，因而造成間隙內的壓力不均勻分布和側向水推力，引起轉輪偏心變大和振動，其振動頻率與止漏環偏心運動的頻率相同。實踐證明，適當增大外止漏環間隙，可使轉輪偏心運動對轉輪背壓和止漏環間隙中壓力的影響明顯減弱，從而減小振動。如漁子溪4號機運行半年出現振動過大，后將上下止漏環間隙由1mm增加到2.5mm，振幅減小在規定范圍內。（4）沖擊式水輪機尾水上漲引起的振動。正常時，沖擊式水輪機的尾水位與轉輪必須保持一定距離，尾水應無壓流動。如果尾水渠雍水回濺到水斗上，擾亂水頭與射流的正常流程，也會引起機組效率下降和振動。此外，運行時處于轉輪附近的空氣，會被高速射流帶走并從尾水渠中排出，機殼上的補氣孔太小或冒水就有可能使尾水位抬高甚至淹沒轉輪，使尾水形成有壓流動，不僅產生強烈振動，而且危及機組安全。此種情況下，可采用擴大尾水渠斷面或增加機殼補氣量的方法來消除振動。

除上述幾種常見的水力振動外，其他水力振動還包括：進水口攔污柵被雜物堵塞激發的脈動；雜物進入水輪機轉動與固定部件之間，引起斷流或流量突變而振動；在不設調壓井的長尾水系統電站中，甩負荷工況會出現水柱分離現象造成振動；轉輪室內流場不穩定可能引起控制系統振動，導致壓力脈動，使出力在某一范圍內擺動，利用單導葉接力器可以避免機組在導葉不同步的范圍內運行。

3 結語

引起水輪機振動增大的原因很多，也可能是幾種原因同時作用造成的，甚至產生相互加劇的連鎖反應，在未找到原因前，應避開在振動區運行。尤其是機組向高比轉速、大容量方向發展，單機容量增大，機組結構尺寸增大。為減少金屬用量，機組剛度相對地降低，振動問題將更加突出。為提高水電廠的安全性、經濟性和可靠性，必須對機組振動問題加強調查、研究和總結，提出相應的措施，以提高水電設備的設計制造水平和水電廠的安全經濟運行水平。

[1]哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[C].北京:機械工業出版社,1976.

[2]曹琨，姚志民.水輪機原理與水力設計[M].北京:清華大學出版社,1991.

[3]陶星明，劉光寧.關于混流式水輪機穩定性的幾點建議[J].大電機技術，2002(02).