大型臥式水電機組轉(zhuǎn)輪室振動異常原因診斷與分析

李書明，楊 曄，萬 元，曹鳳香

（1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京 210061；2.五凌電力有限公司，湖南長沙 410004；3.國網(wǎng)江西省電力公司電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

轉(zhuǎn)輪室振動異常是大型臥式水電機組普遍存在的問題，目前國內(nèi)大型臥式水電機組轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)疲勞裂紋缺陷的案例分析中，轉(zhuǎn)輪室振動異常為其中的主要因素[1，2]。湖南某水電站大型臥式機組自從2000年投產(chǎn)以來，一直都存在轉(zhuǎn)輪室振動異常的問題，在高負荷區(qū)，機組轉(zhuǎn)輪室的振動通頻峰峰值甚至超過500 μm[3]，嚴重影響該電站的安全穩(wěn)定運行，因而有必要對其進行分析計算，為采用合適的減振手段提供重要依據(jù)。

從目前研究成果上看[4，5]，引起大型臥式水電機組轉(zhuǎn)輪室振動的原因主要有三個方面：一是機組運行過程中轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生的壓力脈動、導葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確、卡門旋渦、無葉區(qū)壓力脈動、導葉開口不均，轉(zhuǎn)輪葉片翼型不一致等水力因素，這是引起機組轉(zhuǎn)輪室振動的外力因素；二是轉(zhuǎn)輪室大多采用薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較弱，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，使轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生變形，從而引起振動。三是轉(zhuǎn)輪室一端通過高強度螺栓與燈泡體連接，另一端一般為懸臂結(jié)構(gòu)，容易隨燈泡體一起擺動而引起振動。

為了辨識該電站大型臥式水電機組轉(zhuǎn)輪室振動異常原因，在分析機組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用真機測試包括穩(wěn)定性試驗、應(yīng)力試驗、變形測試等，并結(jié)合有限元建模仿真手段，最終得出剛強度不足是該機組轉(zhuǎn)輪室振動異常的原因，為后續(xù)轉(zhuǎn)輪室減振措施的研究提供重要支撐，亦為其他電站類似問題的處理提供重要參考。

1 機組參數(shù)結(jié)構(gòu)

某電站共安裝9臺大型臥式水電機組，機組具體參數(shù)見表1所示，其總剖面圖見圖1所示[3]。

表1 機組主要技術(shù)參數(shù)

該電站機組轉(zhuǎn)輪室采用薄壁結(jié)構(gòu)，其通過高強度螺栓與燈泡體剛性連接，長度為4.235 m，重48.4 t，上游側(cè)法蘭、上游側(cè)喇叭口、球面段、過渡段厚度均為60 mm，擴散段40 mm，分為上下兩瓣以螺栓把合。包括法蘭、擴散段、合縫面法蘭材料全部為0Cr13Ni5Mo不銹鋼板，在轉(zhuǎn)輪室球面段、過渡段、擴散段布置3道材質(zhì)為Q235的環(huán)筋，最大綜合應(yīng)力為28.9 MPa。

通過現(xiàn)場安置的在線監(jiān)測裝置，該電站機組自投產(chǎn)以來一直存在轉(zhuǎn)輪室振動較大的問題，水平振動通頻幅值最大超過500 μm、垂直振動通頻幅值超過566 μm，雖然目前為頒布國標界定大型臥式水電機組轉(zhuǎn)輪室振動異常故障，但從現(xiàn)場運行情況上看，該電站部分轉(zhuǎn)輪室已出現(xiàn)焊縫裂紋現(xiàn)象，嚴重影響了機組安全穩(wěn)定運行。

圖1 機組總剖面圖

2 機組真機測試

2.1 穩(wěn)定性測試

對機組開展真機穩(wěn)定性測試，在轉(zhuǎn)輪室垂直、水平方向布置三個振動傳感器，測量機組不同負荷下振動值的大小，測試結(jié)果見表2所示，其振動隨負荷變化趨勢見圖2所示。

表2 轉(zhuǎn)輪室振動測試結(jié)果

圖2 轉(zhuǎn)輪室振動隨負荷變化趨勢

機組真機穩(wěn)定性試驗過程中，同步測量機組槳葉前壓力脈沖，其壓力脈沖值隨負荷變化趨勢見圖3所示。

圖3 槳葉前壓力脈沖隨負荷變化趨勢

由表2、圖2、圖3可知，機組轉(zhuǎn)輪室振動隨機組負荷增加逐漸增大，壓力脈沖亦隨負荷增大而增大，振動的主要頻率以4倍頻為主。該機組額定轉(zhuǎn)速為78.95r/min，轉(zhuǎn)輪葉片為4個，4倍頻對應(yīng)頻率為5.26 Hz，即為葉片頻率，即每片葉片都引起轉(zhuǎn)輪室的受迫振動。因此從真機穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)可以看出，引起振動的主要原因是來源于水力激振力，是由槳葉前的壓力脈沖引起的。

2.2 應(yīng)力測試

轉(zhuǎn)輪室的振動可分為兩種形式，一是轉(zhuǎn)輪室剛度比較好，由于其燈泡體通過螺栓剛性連接，轉(zhuǎn)輪室隨燈泡體做整體受迫振動。二是轉(zhuǎn)輪室剛度不夠，在水壓脈沖下產(chǎn)生變形而引起振動。為了辨識轉(zhuǎn)輪室振動的具體形式，并對轉(zhuǎn)輪室安全性進行評價，設(shè)計了應(yīng)力測試試驗，試驗測點布置見圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)輪室應(yīng)力測試測點布置

在機組轉(zhuǎn)輪室應(yīng)力集中的位置和經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的分瓣面附近的環(huán)向筋板上粘貼應(yīng)變片，共分三圈布置應(yīng)力傳感器，主要測量轉(zhuǎn)輪室環(huán)向、水平應(yīng)力，獲取在不同工況下轉(zhuǎn)輪室的變形量及應(yīng)力數(shù)據(jù)。圖5為轉(zhuǎn)輪室合縫面處各應(yīng)力值隨負荷變化關(guān)系。

圖5 轉(zhuǎn)輪室合縫面處各應(yīng)力值隨負荷變化關(guān)系

過渡段應(yīng)力值、直錐段應(yīng)力值隨機組負荷關(guān)系與轉(zhuǎn)輪室合縫面一致，由此可見：

a）應(yīng)力變化趨勢為隨負荷增大各個測點的動態(tài)應(yīng)力峰峰值逐漸增大，與壓力脈動趨勢一致。

b）按GB/T15468-2006《水輪機基本技術(shù)條件》中對工作部件需用應(yīng)力的要求，轉(zhuǎn)輪室本體材料為0Cr13Ni5Mo的屈服極限為550 MPa，國標中要求其許用應(yīng)力不大于屈服極限的1/3，該轉(zhuǎn)輪室總應(yīng)力值在允許范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)輪室的裂紋是由于金屬件疲勞引起的。

c）機組動應(yīng)力主要是由于轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙引起的壓力脈動產(chǎn)生，隨著負荷增大，壓力脈動逐漸增大，動應(yīng)力也隨之減大。

2.3 變形測試

為了準確獲取機組轉(zhuǎn)輪室振動原因，開展轉(zhuǎn)輪室變形測試。采用高靈敏度加速度傳感器測量轉(zhuǎn)輪室變形情況，其測點布置見圖6所示。

圖6 變形測試測點布置圖

由圖6知，在球面段、擴散段兩圈合計布置16個加速度傳感器，每圈等間距布置8個傳感器，試驗過程中，采用帶通濾波方式，獲取傳感器的4倍機組轉(zhuǎn)頻分量，并采用二次積分獲取測點的位移量，獲得的兩圈變形見圖7所示。

圖7 4倍轉(zhuǎn)頻下轉(zhuǎn)輪室的工作變形情況

由圖7可知以下兩點：

1）轉(zhuǎn)輪室在機組葉片臨界頻率（4倍轉(zhuǎn)頻）下的工作變形為四瓣型膨脹變形。

2）對比轉(zhuǎn)輪室球面段和擴散段的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪室球面段的振動加速度較擴散段的振動加速度較大，兩者位移幅度相當。

由此可知，轉(zhuǎn)輪室與燈泡體通過高強度螺栓剛性連接，若轉(zhuǎn)輪室以剛體形式整體振動，則以螺栓為支點，越遠離支點，振動位移越大，鑒于球面段與擴散段振動位移幅度相當，可基本排除轉(zhuǎn)輪室的振動形式為整體振動，同時，球面段較擴散段加速度大，即受力大，由于球面段更靠近壓力脈動區(qū)，更容易由壓力脈動引起的變形，因此可基本推斷轉(zhuǎn)輪室振動異常是由壓力脈沖引起薄壁結(jié)構(gòu)的變形引起的。

3 有限元分析與計算

構(gòu)建轉(zhuǎn)輪室的有限元仿真模型如圖8所示，將所測得的振動應(yīng)力作為動態(tài)載荷疊加至轉(zhuǎn)輪室（葉片前端）上[4]，模型約束為端部剛性約束，局部細節(jié)考慮螺栓的變形，獲得的轉(zhuǎn)輪室位移見圖9所示。

圖8 轉(zhuǎn)輪室三維有限元模型

圖9 壓力脈沖作用下轉(zhuǎn)輪室位移

通過有限元仿真可知，轉(zhuǎn)輪室在壓力脈動作用下呈四瓣變形模式，與實測的轉(zhuǎn)輪室變形狀況基本一致，且最大變形量與轉(zhuǎn)輪室實際振動幅度相當。

4 機組轉(zhuǎn)輪室振動原因分析

通過采用真機測試包括穩(wěn)定性試驗、應(yīng)力試驗、變形測試等，并結(jié)合有限元建模仿真手段，對轉(zhuǎn)輪室振動異常原因進行分析，可得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)輪室X/Y向振動激振頻率為4倍轉(zhuǎn)頻（占絕對優(yōu)勢），幾乎無其它頻率成分，且振動數(shù)值、壓力脈沖隨負荷升高而增大，4倍頻的激振力應(yīng)來自于4葉片的轉(zhuǎn)輪在水中旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。

2）機組動應(yīng)力主要是由于轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙引起的壓力脈動產(chǎn)生，隨著負荷增大，壓力脈動逐漸增大，動應(yīng)力也隨之增大，但其與轉(zhuǎn)輪室組成材料的屈服強度相差很大，轉(zhuǎn)輪室剛強度的裕度較大。

3）轉(zhuǎn)輪室在機組葉片臨界頻率（4倍轉(zhuǎn)頻）下的工作變形為四瓣型膨脹變形，仿真與實測結(jié)論基本一致。

4）轉(zhuǎn)輪室變形試驗可知，鑒于球面段與擴散段振動位移幅度相當，可基本排除轉(zhuǎn)輪室的振動形式為以連接螺栓為支點的整體振動。

由此，可推斷機組轉(zhuǎn)輪室振動異常的原因為：整體剛強度不足，在機組運行不可避免的壓力脈沖外載荷下，產(chǎn)生周期性的變形，從而引起周期性的大幅度振動。可通過對轉(zhuǎn)輪室加強的方式來降低其振動幅值。

5 結(jié)語

本文綜合采用真機測試、有限元數(shù)值仿真的方法，對湖南某電站大型臥式水電機組轉(zhuǎn)輪室振動異常原因進行診斷與分析，獲得了轉(zhuǎn)輪室振動異常是其本身剛強度不足，在周期性壓力脈沖載荷下產(chǎn)生變形引起的，為該電站投產(chǎn)以來存在的技術(shù)難題提供了技術(shù)支撐，亦可為同類型電站類似問題的分析與處理提供一種可資參考的手段。