豐海水電站水輪機(jī)運(yùn)行振動(dòng)及異常噪聲原因分析與處理

王文忠

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)一大批低水頭、大流量徑流式水電站的開發(fā)建設(shè)和燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的廣泛使用，一些機(jī)組先后出現(xiàn)了異常振動(dòng)和噪聲較大的現(xiàn)象，危害機(jī)組的安全運(yùn)行并限制了機(jī)組正常出力。

由于燈泡貫流式水輪機(jī)組具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、部件剛度相對(duì)較弱和固有頻率低等特點(diǎn)，更增加了機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生局部共振的可能性。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生較大的異常振動(dòng)，輕則產(chǎn)生異常噪聲，重則使機(jī)組運(yùn)行效率降低和影響機(jī)組出力，甚至導(dǎo)致機(jī)組結(jié)構(gòu)受到破壞，危及機(jī)組安全運(yùn)行。

水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)異常振動(dòng)和噪聲，多是由機(jī)械、電磁和水力3個(gè)方面的因素引起和造成。機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)和噪聲作為一種不可能完全避免和消除的現(xiàn)象，往往是由機(jī)組設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修和運(yùn)行過程中的諸多不當(dāng)或缺陷引起的。所以，對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的異常振動(dòng)和噪聲問題，進(jìn)行分析、判定和處理，對(duì)解決水力機(jī)組振動(dòng)問題，確保機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行和延長機(jī)組正常使用壽命具有重要意義。

1 電站概況及主要設(shè)備參數(shù)

1.1 電站概況

豐海水電站位于福建省永安市曹遠(yuǎn)鎮(zhèn)豐海村境內(nèi)九龍溪干流上，為低水頭徑流式水電站，河床式廠房，水庫正常蓄水位▽190.5m，為日調(diào)節(jié)水庫，電站安裝2臺(tái)單機(jī)容量為15.0 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

1.2 機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)主要參數(shù):水輪機(jī)形式，燈泡貫流式;水輪機(jī)型號(hào)，GZA684－WP －440;轉(zhuǎn)輪直徑，4.4 m;槳葉數(shù)目，4 個(gè);額定水頭，9.90 m;最大水頭，14.30 m;最小水頭，3.23 m;額定輸出功率，15.50 MW;額定轉(zhuǎn)速，136.4 r/min;額定流量，136.95 m3/s;飛逸轉(zhuǎn)速，400.0 r/min;旋轉(zhuǎn)方向，從發(fā)電機(jī)端向下游方向看為順時(shí)針;旋轉(zhuǎn)方向，從發(fā)電機(jī)端向下游方向看為順時(shí)針;軸向水推力，2 060 kN(正向)，2 060 kN(反向);質(zhì)量，約 240 t。

發(fā)電機(jī)主要參數(shù):發(fā)電機(jī)型號(hào)，SFWG12－44/4590;額定容量，15 MW;額定電壓，6.3 kV;額定電流，1527 A;額定功率因數(shù)，0.9(滯后);額定頻率，50 Hz;質(zhì)量，約 190 t。

1.3 機(jī)組結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.3.1 機(jī)組布置形式

豐海水電站機(jī)組采用轉(zhuǎn)輪軸線臥軸水平布置，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共用1根主軸，兩端分別與轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)子直接連接。發(fā)電機(jī)被安置在完全封閉的燈泡體內(nèi)，發(fā)電機(jī)定子機(jī)座通過螺栓與水輪機(jī)管形座內(nèi)殼上游側(cè)法蘭連接，管形座下游側(cè)法蘭與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)配水環(huán)相連，管形座外殼上游側(cè)與流道蓋板相連，下游側(cè)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外配水環(huán)相連。

水輪發(fā)電機(jī)組支撐通過管形座自身的流線型上、下支柱(即管形座固定導(dǎo)葉)固定在砼流道基礎(chǔ)上，發(fā)電機(jī)側(cè)下部的支撐和水平的防振支撐為輔助支撐方式。管形座上、下支柱(固定導(dǎo)葉)同時(shí)也是機(jī)組的上、下通道，燈泡頭上設(shè)有進(jìn)人豎井，轉(zhuǎn)輪室上、下部分別設(shè)有檢修進(jìn)人門。

轉(zhuǎn)輪室為懸臂結(jié)構(gòu)，與尾水管間設(shè)有伸縮節(jié)。尾水里襯上游側(cè)與轉(zhuǎn)輪室相連，下游側(cè)與砼尾水管相連。

轉(zhuǎn)動(dòng)部分由2套導(dǎo)軸承支撐，軸承布置采用雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)推力軸承與導(dǎo)軸承合并為發(fā)電機(jī)組合軸承，位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下游側(cè)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪位于水導(dǎo)軸承下游側(cè)。

1.3.2 水輪機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

GZA684－WP－440水輪機(jī)主要由埋入部分、固定部分和旋轉(zhuǎn)部分組成，其中:埋入部分主要由管形座、尾水管里襯和框架等部件組成;固定部分主要由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室等部件組成;旋轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)軸承、主軸密封、操作油管和受油器等部件組成。

管形座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由上游管形座、前錐體、管形座內(nèi)殼、外殼和固定導(dǎo)葉組成，均為分瓣制造到貨，工地組焊或用螺栓組成整體。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)葉中心線與機(jī)組水平中心線夾角為60°的圓錐形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉采用雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，控制環(huán)布置在外配水環(huán)上，由2個(gè)垂直布置的直缸接力器操縱。在控制環(huán)上左側(cè)裝掛有一重錘，正常時(shí)與接力器一同操作導(dǎo)葉關(guān)閉;當(dāng)調(diào)速器發(fā)生事故時(shí)，靠重錘自身重量關(guān)閉導(dǎo)葉。

轉(zhuǎn)輪接力器置于轉(zhuǎn)輪體內(nèi)轉(zhuǎn)輪中心線的下游側(cè)，采用缸體式結(jié)構(gòu)操作。操作時(shí)活塞不動(dòng)，接力器缸上下動(dòng)作，同時(shí)帶動(dòng)葉片操作機(jī)構(gòu)使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

主軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪均采用螺栓和軸向銷相連，槳葉操作油管布置于主軸內(nèi)腔。水導(dǎo)軸承為臥式、動(dòng)靜壓結(jié)合軸承，為適應(yīng)主軸的撓度變化，軸承座和內(nèi)配水環(huán)連接采用柔性結(jié)構(gòu)。受油器布置在發(fā)電機(jī)艙內(nèi)，采用浮動(dòng)瓦結(jié)構(gòu)。

1.3.3 發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

SFWG12－44/4590燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、組合軸承、燈泡體及其輔助部分組成。發(fā)電機(jī)位于水輪機(jī)的上游側(cè)，燈泡頭與定子、定子與水輪機(jī)座環(huán)均采用螺栓相連。為增加機(jī)組剛度，防止振動(dòng)，在燈泡頭部分設(shè)有輔助支撐。

發(fā)電機(jī)總體采用兩支點(diǎn)懸吊型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為無軸結(jié)構(gòu)，懸垂于水輪機(jī)主軸首端，采用機(jī)械制動(dòng)方式。發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)采用徑、軸向混合強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式。

發(fā)電機(jī)軸承為集正、反向推力軸承和徑向軸承為一體的組合式軸承，位于轉(zhuǎn)子下游側(cè)。正向推力軸承為彈性圓盤支撐，反向?yàn)閯傂灾巍?/p>

2 運(yùn)行異常振動(dòng)及噪聲

豐海水電站首臺(tái)機(jī)組自2005年5月1日首次啟動(dòng)，至2005年6月18日和11月18日2臺(tái)機(jī)組先后并網(wǎng)投入發(fā)電試運(yùn)行期間，一直受到機(jī)組異常振動(dòng)和噪聲的困擾。經(jīng)安裝單位現(xiàn)場多次試驗(yàn)，異常振動(dòng)及噪聲始終無法消除，其主要表現(xiàn)為:

(1)機(jī)組自動(dòng)開機(jī)，槳葉開度為45.2%，導(dǎo)葉開度為63.4%時(shí)，轉(zhuǎn)輪室開始出現(xiàn)異常響聲;槳葉開度增大至92.7%、導(dǎo)葉開度增大至76.9%時(shí)，異常響聲消失。當(dāng)機(jī)組手動(dòng)開機(jī)，槳葉開度固定在87.2%時(shí)，隨著導(dǎo)葉開度的增大，機(jī)組出力增加，導(dǎo)葉開度增大至75.0%時(shí)，機(jī)組出力達(dá)到最大值13.80MW，隨后機(jī)組的出力隨導(dǎo)葉開度的增大而呈下降趨勢，且機(jī)組水導(dǎo)處擺度值隨出力下降呈上升趨勢。

(2)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速提高至額定轉(zhuǎn)速的120.0%時(shí)，振動(dòng)消失。

(3)通過振動(dòng)信號(hào)頻譜分析表明:轉(zhuǎn)輪室受到?jīng)_擊碰撞的頻率為9.09 Hz，與轉(zhuǎn)頻和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的乘積(136.4/60 ×4=9.09(Hz))一致。

豐海水電站委托甘肅省電力科學(xué)研究院現(xiàn)場進(jìn)行以下試驗(yàn):第1，第2次變負(fù)荷試驗(yàn);升降負(fù)荷和定槳變導(dǎo)葉試驗(yàn);1次補(bǔ)氣試驗(yàn);動(dòng)平衡試驗(yàn)和配重后變負(fù)荷試驗(yàn);第2次定槳和補(bǔ)氣試驗(yàn)后。試驗(yàn)結(jié)果顯示:機(jī)組在10.0 MW以上工況運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)、擺動(dòng)和水壓脈動(dòng)值隨開度的增大而顯著增大，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)出現(xiàn)異常聲響，機(jī)組構(gòu)件4倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)明顯增大。異常聲響不是轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室碰磨的聲音。

3 機(jī)組振動(dòng)及噪聲形成機(jī)制

分析水輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)和噪聲形成的原因，主要有機(jī)械、電磁和水力3個(gè)方面。

3.1 機(jī)械因素

機(jī)械方面的因素有:水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或制造質(zhì)量存在缺陷，安裝調(diào)試質(zhì)量較差，如由于主軸彎(撓)曲、軸線折線，推力軸承調(diào)整不良，導(dǎo)軸承間隙過大，主軸法蘭連接不緊和機(jī)組對(duì)中心不準(zhǔn)等引起空載低轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng);轉(zhuǎn)輪等旋轉(zhuǎn)件與靜止件發(fā)生刮碰引起振動(dòng)加劇并伴有聲響。轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡引起振動(dòng)的典型特征是機(jī)組振動(dòng)幅度隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升而增大，而與負(fù)荷無關(guān)。

機(jī)械因素引起振動(dòng)的共同特征是，振動(dòng)頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或整數(shù)倍的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

3.2 電磁因素

引起電磁振動(dòng)的主要因素有轉(zhuǎn)子繞組短路、空氣間隙不均勻等，其特征是機(jī)組的振動(dòng)幅度隨發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的增大而增大。

轉(zhuǎn)子繞組短路引起的轉(zhuǎn)子振動(dòng)大小取決于失去作用的線圈匝數(shù)，其振動(dòng)的振幅與勵(lì)磁電流有關(guān)，勵(lì)磁電流增加，振幅增大。當(dāng)去掉勵(lì)磁電流，振動(dòng)立即消失，所以，很容易把這種振動(dòng)和其他原因產(chǎn)生的振動(dòng)區(qū)分開來。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓或有擺度時(shí)，空氣間隙就會(huì)產(chǎn)生不均勻，從而產(chǎn)生單邊的不平衡磁拉力，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而引起空氣間隙周期性變化，單邊不平衡磁拉力沿著圓周作周期性移動(dòng)，引起機(jī)組振動(dòng)。

3.3 水力因素

產(chǎn)生振動(dòng)的水力因素主要有水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動(dòng)、空腔氣蝕、卡門渦列、間隙射流等。其特征是帶有隨機(jī)性，且當(dāng)機(jī)組在非設(shè)計(jì)工況或過渡工況運(yùn)行時(shí)，因水流狀況惡化，機(jī)組各部件的振動(dòng)亦明顯增大。

4 振動(dòng)及噪聲成因分析

4.1 機(jī)械因素的排除

安裝單位對(duì)停機(jī)機(jī)組各項(xiàng)安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，未見有明顯變化，各項(xiàng)指標(biāo)均在廠家、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)準(zhǔn)和超規(guī)范現(xiàn)象。而且，同時(shí)期其他單位安裝的同型機(jī)組也存在同樣的問題，故基本排除安裝原因使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的可能性。

從機(jī)組機(jī)械因素引起振動(dòng)頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或整數(shù)倍的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率特征和現(xiàn)場定槳變導(dǎo)葉試驗(yàn)和動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果分析，可以排除機(jī)械因素使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的可能性。

4.2 電磁因素的排除

根據(jù)機(jī)組電磁因素引起振動(dòng)的幅度隨發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的增大而增大的特征和現(xiàn)場變負(fù)荷試驗(yàn)、升降負(fù)荷試驗(yàn)和配重后變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果分析，基本排除電磁因素引起機(jī)組振動(dòng)和噪聲的可能性。

4.3 水力因素分析

4.3.1 安裝單位試驗(yàn)分析意見

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)、噪聲現(xiàn)象和通過振動(dòng)信號(hào)頻譜分析，轉(zhuǎn)輪室受到?jīng)_擊碰撞的頻率為9.09 Hz，與轉(zhuǎn)頻和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的乘積(136.4/60×4=9.09(Hz))一致，而且同期由其他單位安裝的同型機(jī)組也存在同樣問題。安裝單位認(rèn)為:機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲可能與轉(zhuǎn)輪葉片附近水流水力學(xué)因素有關(guān)，懷疑系轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計(jì)選型和制造精度存在不足所致。

4.3.2 第三方試驗(yàn)結(jié)論

甘肅省電力科學(xué)研究院在現(xiàn)場試驗(yàn)后指出:運(yùn)行實(shí)踐證明，當(dāng)水輪機(jī)槳葉開度達(dá)到和超過40%，即功率超過10.0 MW時(shí)，轉(zhuǎn)輪室就出現(xiàn)異常聲響。而從振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，#2機(jī)組在4.0 MW附近和10.0MW以上工況運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)、擺動(dòng)和水壓脈動(dòng)值比較大，而且在10.0 MW以上工況運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)、擺動(dòng)和水壓脈動(dòng)值隨開度的增大顯著增大，轉(zhuǎn)輪室里也出現(xiàn)了異常聲響。從轉(zhuǎn)輪前壓力值變化與異常聲響的關(guān)系看，這種聲響與空化、空蝕有關(guān)。轉(zhuǎn)輪室的異常聲響出現(xiàn)后，機(jī)組構(gòu)件4倍轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)也明顯增大，這說明轉(zhuǎn)輪室的異常聲響極有可能是水力引起的空蝕振動(dòng)噪聲。初步判斷機(jī)組的振動(dòng)與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片開口不均勻而引起轉(zhuǎn)輪圓周水力不平衡有關(guān)。

甘肅省電力科學(xué)研究院的上述試驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)一步證明安裝單位關(guān)于機(jī)組振動(dòng)原因判斷的正確性。

4.3.3 結(jié)論性意見

經(jīng)建設(shè)單位、組織安裝單位、設(shè)備制造廠和電力科學(xué)研究院及相關(guān)行業(yè)專家，共同對(duì)可能使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的原因進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論，最終達(dá)成以下共識(shí):

(1)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片實(shí)際加工型線與設(shè)計(jì)理論型線之間的偏差可能過大;

(2)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片外緣裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙可能存在間隙渦列現(xiàn)象，引發(fā)水力脈動(dòng)和氣蝕破壞，從而引起機(jī)組振動(dòng);

(3)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪開口可能不均勻，導(dǎo)致導(dǎo)葉水流與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出口的水流產(chǎn)生擾流現(xiàn)象。

5 消缺處理

根據(jù)上述分析，設(shè)備制造廠家對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片線型進(jìn)行了檢查和修整打磨處理，重新開機(jī)，機(jī)組振動(dòng)及噪聲未見明顯變化。

將轉(zhuǎn)輪葉片外緣裙邊高度由原來的100 mm切割至50 mm，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙保持3 mm不變，經(jīng)打磨后，重新開機(jī)，故障沒有明顯變化。

后經(jīng)進(jìn)一步仔細(xì)觀察轉(zhuǎn)輪葉片表面及轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室上、下進(jìn)人孔活門與轉(zhuǎn)輪室關(guān)閉間隙為20～25 mm，正處于轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)徑向中心線上，懷疑其存在水流擾流影響的可能性較大(工程實(shí)踐中，這種情況使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的情況極少)。在建設(shè)單位和設(shè)備制造廠家同意后，將上、下進(jìn)人孔活門與轉(zhuǎn)輪室間隙用電焊焊接封閉，打磨平滑后再次開機(jī)，機(jī)組振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象消失。

6 結(jié)束語

在工程實(shí)踐中，雖然因機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)人孔活門關(guān)閉間隙過大而使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的情況極少，但由于該型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室上、下進(jìn)人孔位置正好布置于轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)徑向中心線上，而葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間的縫隙區(qū)域，又恰是水輪機(jī)中水力流態(tài)最為不利的部位之一，客觀上造成)轉(zhuǎn)輪葉片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，因進(jìn)人孔活門關(guān)閉間隙局部存在水力擾流和脈動(dòng)而形成局部水力壓力脈動(dòng)和空化空蝕現(xiàn)象，從而引發(fā)水輪機(jī)的振動(dòng)和噪聲。這是典型的“作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上的水力交變分量引起的壓力脈動(dòng)”引起的機(jī)組振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象。

建議設(shè)備制造廠家今后在同類型機(jī)組轉(zhuǎn)輪室設(shè)計(jì)制造時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)輪室檢修進(jìn)人孔位置布置錯(cuò)開轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)徑向中心一定距離，提高進(jìn)人孔活門的制造裝配精度，減小活門與轉(zhuǎn)輪室過流面錯(cuò)臺(tái)和間隙，或直接取消轉(zhuǎn)輪室檢修進(jìn)人孔，改由其他檢修進(jìn)入方式代替。