劉康榮，孫小兵

（湖南省湘水集團有限公司大源渡分公司，湖南 衡陽 421200）

1 引言

貫流式水輪機是一種開發(fā)低水頭水力資源的臥軸機組，適用于25 m 以下的水頭，其轉輪與軸流式相似，有轉槳和定槳兩種形式。機組運行時水流在流道內基本上沿軸向運動，因此具有較高的發(fā)電流量和水力效率。在所有的貫流式機型中，燈泡貫流式機組在大、中型貫流式機組中應用最廣泛，故本文主要針對燈泡貫流式機組的特點進行分析和研究。

振動對水輪發(fā)電機組的運行壽命影響很大，主要體現在金屬構件、焊縫及連接螺栓的疲勞破壞上。俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站事故的主要原因，就是在振動區(qū)長時間運轉致使機組劇烈振動，頂蓋螺栓金屬疲勞斷裂，進而引發(fā)一系列災難性后果。國內近年來也出現多起燈泡貫流式機組主軸軸頸裂紋、轉輪室裂紋、槳葉裂紋、導葉連桿斷裂等情況，因此控制機組振動在允許范圍（詳見表1）以內，是保障機組安全運行的重要措施。

表1 燈泡貫流式機組振動允許值

2 燈泡貫流式機組振動分析

2.1 水力振動

水輪發(fā)電機組依靠水流推動轉輪旋轉做功，通過主軸將旋轉力矩傳遞給發(fā)電機轉子。因此水力振動是機組振動的主要原因之一，其類型一般有渦帶振動、協(xié)聯(lián)關系不正確、卡門渦、進水水流紊亂、射流等。

2.1.1 渦帶振動

貫流式機組進水流道中水流流向為機組軸線方向，在通過導葉后產生一定的旋轉分量，此旋轉分量與機組轉動方向相同，與槳葉角度相反（見圖1）。根據向量的正交分解原理可知，旋轉分量比例與導葉開度成反比關系，導葉開度越大，導葉與上游來水方向的夾角越小，旋轉分量比例越??；反之，導葉開度越小，旋轉分量比例越大。

圖2 卡門渦效果圖

在設計最優(yōu)工況下，水流的旋轉分量用于推動轉輪旋轉做功被消耗掉，水流通過轉輪后在尾水管中的流向為軸向。當機組負荷不在設計最優(yōu)工況運行時，尾水流會存在一定的旋轉分量，產生的旋轉水流稱為渦帶。特別是在水頭較低且大負荷運行時，導葉開度接近開限，水流通過導葉后產生的旋轉分量很小，受槳葉反作用力作用產生與機組轉向相反的渦帶，此時尾水流道中水流很不穩(wěn)定，并產生較大的壓力脈動，機組振動隨之增大。

2.1.2 協(xié)聯(lián)關系不正確

當燈泡貫流式機組協(xié)聯(lián)關系不正確時，易引起調速器系統(tǒng)頻繁調節(jié)，機組負荷持續(xù)波動，增加尾水流道中渦帶的產生，機組振動隨之增大。而且，由于導葉的頻繁調節(jié)使水流產生“頓挫”，推力軸承處將出現較大的軸向振動。如機組凈水頭測量不準，協(xié)聯(lián)關系與實際情況不符，會加大運行中機組的振動；因機組導葉或槳葉失控失去協(xié)聯(lián)也將加大機組的振動。

2.1.3 卡門渦[1]

卡門渦是流體繞過鈍型物體時，該物體后方會周期性地交替出現旋轉方向相反、錯落排列的雙列線渦，與此同時，物體也將受到與流向垂直的交變作用力。

導葉和槳葉在發(fā)電運行時會在出水側后方出現卡門渦，并產生作用在葉片尾部的交變力，引發(fā)機組振動。在交變作用力影響下，槳葉根部、導葉樞軸易產生疲勞裂紋，因此導葉、槳葉都設計成進水邊厚、出水邊薄的形狀，以此降低卡門渦的影響。

如果導葉或槳葉的連桿關節(jié)軸承磨損嚴重導致間隙過大，則導葉或槳葉在卡門渦作用下會出現擺動現象，進一步加大調速器振蕩和水流不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.4 進水口水流不暢或攔污柵堵塞

在汛期，河水中的水草、垃圾較多，堆積在進水口攔污柵前。如不及時清理，將堵塞攔污柵，使機組有效水頭降低，機組進水口有可能產生立軸漩渦，惡化進口流態(tài)，使進水流道水流不完全是軸線方向，存在一定的亂流。受此影響，機組易出現工作水頭和負荷的波動，引起調速器持續(xù)振蕩，從而振動加大。

例如湖南某電站4 號機組，固定攔污柵靠近浮式攔污柵末端，汛期經常出現垃圾堆積，不乏有大體積雜物，水頭損失最高超過1 m。且4 號機組左側為泄水閘擋墻，存在流動死角，巡視時可見水流從3號機向4 號機流動（機組前池共用，固定攔污柵安裝在前池前），在水面形成較大立軸漩渦。在同負荷情況下，4 號機組振動明顯大于其他機組。

2.1.5 狹縫射流

在水輪機運行過程中，由于轉輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在槳葉和轉輪室之間的間隙中，會形成一股射流。由射流的流體特性可知，工作水頭越高，間隙越小，則射流的速度越高，射流邊緣的壓力越低。為減小射流中的微小氣泡的空化效應所帶來的空蝕影響，通常槳葉在轉輪室側都有裙邊設計。在轉輪旋轉過程中，轉輪室壁受到射流-水流的循環(huán)作用，形成了周期性的空化效應和壓力脈動，從而產生振動，可能導致疲勞破壞和表面汽蝕。常見有轉輪室壁出現疲勞性裂紋[2]，轉輪室外的漆膜局部剝落等現象。停機時導葉立面間夾有異物，導葉立面間隙產生的狹縫射流也會引起機組停機狀態(tài)下的異常振動并發(fā)出尖嘯聲。

2.1.6 存在的其他原因

各導葉、槳葉開度不一致，過流面存在異物等情況都易引發(fā)水力不平衡，從而導致轉輪的擺動。

2.2 機械和電氣原因產生的振動

（1）主軸撓度

目前燈泡貫流式機組最常用的結構為雙支點雙懸臂型式，即水輪機轉輪與發(fā)電機轉子共用同一根主軸，在主軸前后分別設置有水導軸承和發(fā)導軸承，轉輪和轉子均為懸臂結構。這種結構不可避免會產生主軸撓度問題，如果主軸剛度不夠或存在軸頸裂紋等原因導致?lián)隙冗^大，會加大轉輪運行時的擺度，并使轉子氣隙不均勻，在電磁力的作用下加劇機組振動。

主軸撓度可按以下公式進行計算[3]：

W：撓度；

P：轉子/轉輪重量；

l：轉子/轉輪中心至導軸承距離；

E：主軸的彈性模量；

I：主軸截面慣性矩，對于空心軸，計算式為：其中D：主軸外徑；d：主軸內徑。

以某電站轉輪為例，轉輪重量P=805 kN，轉輪中心至水導軸承距離l=2 375 mm，主軸外徑D=980 mm，內徑d=200 mm，彈性模量E=206 GPa，代入上式計算可得轉輪側撓度約為0.39 mm。

（2）機組轉動部分存在動不平衡，或者制造、安裝工藝質量低，無法滿足相應的標準要求，導致機組振動偏大。

（3）定子鐵心、線棒，轉子磁極出現位移或松動，電磁力變化使機組產生振動。機組轉速、電流大小對振動的強弱影響較為明顯。

（4）緊固件出現松動，固定部件和轉動部件由于摩擦而導致振動，這種振動一般較大，且會伴隨著出現金屬撞擊聲（例如槳葉掃膛）。

2.3 機組振動原因的判定

由于水輪發(fā)電機組振動基本上是水力、機械、電磁等各種因素共同產生的，因此要從現場振動頻率、開度和負荷變化情況、振動聲響等方面綜合判斷其主要原因，一般可參考以下幾點：

（1）振動頻率低，頻率和振幅隨導葉開度和機組發(fā)電負荷變化而變化，可能為水力因素產生的振動。

（2）振動波形頻率與機組轉動頻率相同，可能為轉動機械部件問題引起的振動，如轉輪或轉子動不平衡、軸線偏差、局部間隙過小等。

（3）主要振動頻率與電網頻率成倍數關系[1]，則主要原因可能為電磁因素產生的振動。

3 機組振動的應對措施

（1）燈泡貫流式機組由于自身的結構特點，在機組負荷穩(wěn)定時，機組發(fā)電性能好且振動小，水能利用效率高；機組作動態(tài)負荷調節(jié)時，機組穩(wěn)定性差，水力振動大。因此，燈泡貫流式機組應盡量避免機組較長時間參與系統(tǒng)的動態(tài)控制或頻繁調節(jié)負荷（例如投入AGC、一次調頻等功能）。

（2）電站可通過機組穩(wěn)定性試驗，劃定機組振動區(qū)，并將其寫入機組監(jiān)控系統(tǒng)程序，運行中自動避開機組振動區(qū)。建設機組振動、擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)，并定期校驗傳感器，確保在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量數據真實可靠。運行人員監(jiān)盤時如發(fā)現振動偏高，應及時調整負荷，避開振動區(qū)間。

（3）機組投產后，應在廠家提供的協(xié)聯(lián)關系曲線基礎上做協(xié)聯(lián)關系校驗試驗，對協(xié)聯(lián)關系曲線進行修正，并將其錄入調速系統(tǒng)，作為水輪機協(xié)聯(lián)運行的依據。

定期校驗機組凈水頭測量裝置，保證其測量精度，防止水頭不準造成導葉、槳葉在實際水頭下失去協(xié)聯(lián)；同時對凈水頭程序進行優(yōu)化，手動水頭信號設定值跟隨自動水頭同步刷新，在凈水頭信號突變時自動水頭與手動水頭的無擾動切換，防止負荷和導葉開度突變。

（4）做好技術監(jiān)督工作，定期對主軸軸頸、槳葉根部、導葉、重要螺栓及焊縫等進行無損檢測。

由于燈泡貫流式機組的轉輪室與尾水管之間設置有伸縮節(jié)，為非剛性連接，因此導水機構外配、轉輪室可看作支點為外管型殼的懸臂結構。國標中未對燈泡貫流式機組轉輪室振動值作出明確規(guī)定，但轉輪室振動對機組安全影響極大，一般情況下，轉輪室也是機組受水力振動影響最大的部位，因此轉輪室各連接螺栓、結構焊縫應是無損檢測的重點部位。

（5）機組檢修時，應加強對易受振動損害、易松動部件的檢查。每年應測量機組大軸上抬量和軸向竄動量，如果存在機組軸線不正，應該在檢修期間調整軸瓦和軸線來糾正。手動盤車檢查時，如出現自轉動現象，則表明存在動不平衡，可考慮通過動平衡試驗采取轉子配重的方法消除。機組檢修時還應對槳葉竄動量進行測量，竄動量超標時及時更換槳葉樞軸銅套和抗磨環(huán)。測量和調整導葉立面和端面間隙，調整接力器壓緊行程，并保證在規(guī)范要求范圍內。檢查導葉連桿關節(jié)軸承磨損情況，視情況更換。

（6）汛期來水較大，尾水位較高的情況下，應根據機組振動情況適當降低機組出力，減小水力振動。及時檢查和清理固定攔污柵前垃圾，既可以降低水流紊亂帶來的振動，也可以消除水頭損失，提高發(fā)電效益。浮式攔污柵布置方式進行優(yōu)化，將其另一端盡量往弧門側進行延伸，加大其覆蓋水面，避免水流在經過浮式攔污柵端部時將污渣集中堆積在該處的固定攔污柵前，造成該機組進水口流態(tài)紊亂。

4 結語

當前，隨著水電在電力系統(tǒng)所占比重的增加，水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要性也隨之提高。振動是影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行的重要因素，因此，機組振動情況是每個電站都應該研究和控制的技術課題。

機組出現了異常振動，要運用科學的試驗和分析方法，依據試驗數據來分析異常振動的原因，進行針對性的處理。機組一旦出現超過允許值的振動，應盡快調整機組運行參數，減少其振動值，甚至停運機組并進行搶修，以防機組發(fā)生嚴重破壞性事故的不良后果。要第一時間發(fā)現機組振動異常，則依賴于及時有效的在線實時監(jiān)測，只有嚴密監(jiān)測和掌握機組的工作狀況，才能保障機組安全、穩(wěn)定、高效運行。