土耳其甘然電站水輪機異常噪音問題分析和處理

杜世平

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 410100）

土耳其甘然電站水輪機異常噪音問題分析和處理

杜世平

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 410100）

土耳其甘然電站21MW水輪發電機組投入商業運行后，發現水輪機在部分負荷存在異常的金屬嘯叫聲音，經現場實驗分析，認為是卡門渦共振引起的聲音異常，同時兩個葉片出現裂紋，經強迫補氣后，異常聲音消除，本文詳細介紹了實驗和分析過程，為其他電站的設計和運行提供參考經驗。

土耳其；甘然；卡門渦異常；聲音；嘯叫

1 電站概況

土耳其甘然電站位于土耳其Batman市Kozluk鎮附近，安東尼奧地區的GARZAN河上，電站安裝兩臺單機容量為21.015MW的立軸混流式機組。應用11/154kV的變壓器，通過154kV架空電纜聯接系統。水輪機進水蝶閥直徑2.2m，調速器采用BYWT-9000-16高油壓分離式調速器。電站海拔高度大約800m。

表1 水輪機主要參數表

2 水輪機主體結構

土耳其甘然電站轉輪采用國內先進的X型葉片轉輪，轉輪模型最優效率達到95.2%，穩定性好，適應于水頭變幅較大電站，該轉輪已在多個電站成功運行。轉輪葉片數13片，轉輪的上冠、下環和葉片材料均為ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼，數控加工成型，在制造廠內進行靜平衡試驗。

主軸密封采用無接觸泵板密封，在轉輪上冠處設有12個直泵葉片，頂蓋設有12個DN50的排水管，12根排水管匯總成一根排水總管，接入尾水管。頂蓋排水管總面積為止漏環漏水面積的5.6倍。通過這套系統可以將轉輪止漏環處的漏水排至尾水管，確保主軸密封處不漏水。

為減小轉輪止漏環處漏水，在轉輪上冠處同時設有梳齒型小間隙密封，為兼顧安裝檢修和防止高水頭止漏環自激震蕩兩個因素，止漏環處單邊間隙設計1.1～1.3mm，梳齒密封單邊間隙設計1.0～1.1mm。

為削弱尾水管渦帶對水輪機產生的危害，改善水輪機運行穩定性，尾水管設計采用了短管式自然補氣方式，在尾水錐管上部設有4個DN90的補氣短管，匯總為DN100總管接入廠房外大氣。

3 電站異常聲音問題

土耳其甘然電站于2013年1月完成各項實驗后投入商業運行。自運行以來，機組出力滿足設計要求，瓦溫低、振動擺度正常，但機組在13～18MW區域內出現異常的金屬嘯叫聲音，在此負荷區域以外聲音正常，2臺機組均存在異常聲音的問題，強度略有區別。在運行至12月例行檢查時發現1號機組轉輪兩個葉片出現貫穿性裂紋，從轉輪出水邊中下部向內延伸，長度約150mm，出水邊裂紋導致葉片斷面錯位。

4 現場實驗分析

引起水輪機發出金屬嘯叫聲音的原因有很多種，總體來說可能有金屬摩擦聲、補氣管路流速過快通過小間隙導致的蜂鳴聲、尾水管渦帶本身的聲音、水輪機水力部分原因包括卡門渦和葉道渦聲音、轉頻與其它機械固有頻率接近產生共振的聲音（如軸承端蓋），以及頂蓋管路排水不暢存在氣液兩項流引起的聲音等等。為能分析確定聲音產生的原因，在現場進行了各種比對實驗。

圖1 葉片裂紋位置示意圖

圖2 葉片裂紋現場圖

4.1 變水頭實驗

電站初期運行在高水頭附近，蝸殼進口壓力1.05MPa，出現異常聲音的負荷區在13～18MW，枯水期運行在低水頭附近，現場測試蝸殼進口壓力0.776MPa，異常聲音區域為11～15MW。說明隨著水頭增高，異常聲音的負荷區域也增大，一般判定這種異常聲音和水輪機流動有關。

4.2 補氣量調整實驗

一般在40%～70%負荷下運行時，水輪機尾水管存在渦帶，由于尾水管渦帶的強烈擾動，或其頻率與機組固有頻率重合而產生共振，將引起機組振動或者負荷擺動，同時也會產生噪音。另外高速氣流通過小間隙區域也會產生金屬的嘯叫聲。尾水管補氣裝置的作用就是在出現這種工況時，補入空氣借以吸振同時降低渦帶強度，改善機組的運行狀態。

據電站反應，在增加補氣量后異常聲音有所改善，為驗證補氣量的影響，進行了補氣量調整試驗。試驗前將補氣閥完全拆除，以實現最大補氣量。試驗在采用全部關閉補氣管、全部開啟以及部分開啟補氣管方式下，進行了變負荷實驗。經過多輪反復實驗，發現補氣量的改變對水輪機出現異常聲音的負荷區域以及聲音強度沒有任何影響，依舊是在11～15MW區域內出現異常金屬嘯叫聲且聲音強度沒有變化。

此試驗證明異常聲音不是來自尾水管渦帶，也不是產生在補氣管道內。

4.3 頂蓋排水實驗

甘然電站采用的是泵板密封結構，轉輪上止漏環處的漏水通過泵板匯入12個DN50的頂蓋排水管，再匯入DN200的頂蓋排水總管，接至尾水管?？紤]到電站初期運行時，上止漏環出漏水較少，同時電站又將頂蓋排水總管接入了尾水錐管上段，這樣有可能會出現頂蓋排水管路氣液混雜現象，管路里的氣液兩項流也會產生異常聲音，此類現象在其它電站發生過。

現場試驗將頂蓋排水總管直接接入集水井，運行中保證頂蓋排水管路全部充滿水，試驗結果表明水輪機異常聲音與頂蓋排水管路沒有關系。

4.4 強迫補氣實驗

在以上試驗過程中，同時檢查了水輪機主軸、頂蓋、導水機構、軸承及管路，機組的振動擺度以及瓦溫都很好，完全滿足國家標準要求，首先排除了因金屬摩擦引起異常聲音的可能性。至此，初步懷疑水輪機內部的流體運動應該是產生異常金屬聲音的根源，即卡門渦或者葉道渦，渦帶頻率與葉片某一階固有頻率一致，使葉片共振產生金屬的嘯叫聲，同時葉片的振動導致葉片出水邊中間位置撓度最大，產生裂紋。

4.4.1 葉道渦

當水輪機偏離最優工況時，在轉輪葉片間可以看到有一連串的渦束沿著兩個葉片間流出，這就是葉道渦。葉道渦起源于偏離最優工況后轉輪上冠進口處的脫流。在高水頭時，脫流發生在上冠葉片進口的背面，當低于設計水頭時，脫流發生在葉片正面進口邊。從葉道渦產生的水力原理看，與尾水管渦帶一樣，所有混流式水輪機偏離最優工況后，必然要發生葉道渦。葉道渦的頻率與轉頻一致，而甘然電站出現的異常聲音發生在部分負荷，與轉頻無關，因此可以判定異常聲音不來自葉道渦。

4.4.2 卡門渦

流體在經過非流線型物體或者具有出流厚度的流線型物體時，尾跡部分會產生兩列左右對稱、交替排列、旋轉方向相反的漩渦，這就是卡門渦。由于卡門渦是交替從出流物體尾部排出，因此對出流物體會產生一個周期作用力。當卡門渦頻率與葉片某一階頻率一致時，就會產生共振從而導致葉片裂紋及異常聲音?？ㄩT渦的頻率與流速和分離點厚度有關，具體公式如下∶

d——分離點的厚度，m；包括分離點物體厚度和分離點邊界層厚度；經過計算發現，轉輪葉片出口的卡門渦頻率與轉輪水下固有頻率比較接近，因此可以初步判定葉片卡門渦是誘發異常聲音和葉片裂紋的原因。

4.4.3 頂蓋強迫補氣

在導葉后轉輪前的位置上，接入0.9MPa的壓縮空氣，用以破壞葉片卡門渦的形成。實驗表明，當負荷為11MW時，補入少量壓縮空氣進入轉輪后，異常聲音立即消除，隨后進行多次變負荷實驗，異常聲音均不再出現，證明葉片出口卡門渦與葉片共振是產生異常的金屬嘯叫聲音的原因，問題得以解決。

從卡門渦頻率計算公式分析，解決問題的另一種方法是修改葉片出水邊型線，減少葉片出水邊流體分離點的厚度，從而提高卡門渦的頻率，以避開與轉輪共振頻率。從國內其他電站的處理經驗看，這是一個較好的處理方法，但是限于甘然電站正處于發電任務期間，該項解決措施待今后進一步實施驗證。

5 結論

近些年來，隨著轉輪研發技術的提高，轉輪性能特別是效率有了大幅度的提高。但是轉輪穩定性問題依然突出，特別是在大型機組上。一般中小型電站由于機組剛度較好，水流較為穩定，很少發生異常聲音及葉片裂紋等問題，土耳其甘然電站在初期運行就出現異常噪音，說明中小型水輪機的穩定性依然值得重視?，F場經過比對試驗，確定是葉片出口卡門渦與葉片共振產生異常金屬聲音，此問題的分析解決也為今后中小型水輪機轉輪設計及電站運行提供一定的參考和借鑒作用。

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TK730.8

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1672-5387（2014）02-0058-03

2013-12-31

杜世平（1976-），女，工程師，從事水輪機設計工作。