灯泡贯流式水轮发电机组振动原因分析及应对措施

刘康荣，孙小兵

（湖南省湘水集团有限公司大源渡分公司，湖南 衡阳 421200）

1 引言

贯流式水轮机是一种开发低水头水力资源的卧轴机组，适用于25 m 以下的水头，其转轮与轴流式相似，有转桨和定桨两种形式。机组运行时水流在流道内基本上沿轴向运动，因此具有较高的发电流量和水力效率。在所有的贯流式机型中，灯泡贯流式机组在大、中型贯流式机组中应用最广泛，故本文主要针对灯泡贯流式机组的特点进行分析和研究。

振动对水轮发电机组的运行寿命影响很大，主要体现在金属构件、焊缝及连接螺栓的疲劳破坏上。俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事故的主要原因，就是在振动区长时间运转致使机组剧烈振动，顶盖螺栓金属疲劳断裂，进而引发一系列灾难性后果。国内近年来也出现多起灯泡贯流式机组主轴轴颈裂纹、转轮室裂纹、桨叶裂纹、导叶连杆断裂等情况，因此控制机组振动在允许范围（详见表1）以内，是保障机组安全运行的重要措施。

表1 灯泡贯流式机组振动允许值

2 灯泡贯流式机组振动分析

2.1 水力振动

水轮发电机组依靠水流推动转轮旋转做功，通过主轴将旋转力矩传递给发电机转子。因此水力振动是机组振动的主要原因之一，其类型一般有涡带振动、协联关系不正确、卡门涡、进水水流紊乱、射流等。

2.1.1 涡带振动

贯流式机组进水流道中水流流向为机组轴线方向，在通过导叶后产生一定的旋转分量，此旋转分量与机组转动方向相同，与桨叶角度相反（见图1）。根据向量的正交分解原理可知，旋转分量比例与导叶开度成反比关系，导叶开度越大，导叶与上游来水方向的夹角越小，旋转分量比例越小；反之，导叶开度越小，旋转分量比例越大。

图2 卡门涡效果图

在设计最优工况下，水流的旋转分量用于推动转轮旋转做功被消耗掉，水流通过转轮后在尾水管中的流向为轴向。当机组负荷不在设计最优工况运行时，尾水流会存在一定的旋转分量，产生的旋转水流称为涡带。特别是在水头较低且大负荷运行时，导叶开度接近开限，水流通过导叶后产生的旋转分量很小，受桨叶反作用力作用产生与机组转向相反的涡带，此时尾水流道中水流很不稳定，并产生较大的压力脉动，机组振动随之增大。

2.1.2 协联关系不正确

当灯泡贯流式机组协联关系不正确时，易引起调速器系统频繁调节，机组负荷持续波动，增加尾水流道中涡带的产生，机组振动随之增大。而且，由于导叶的频繁调节使水流产生“顿挫”，推力轴承处将出现较大的轴向振动。如机组净水头测量不准，协联关系与实际情况不符，会加大运行中机组的振动；因机组导叶或桨叶失控失去协联也将加大机组的振动。

2.1.3 卡门涡[1]

卡门涡是流体绕过钝型物体时，该物体后方会周期性地交替出现旋转方向相反、错落排列的双列线涡，与此同时，物体也将受到与流向垂直的交变作用力。

导叶和桨叶在发电运行时会在出水侧后方出现卡门涡，并产生作用在叶片尾部的交变力，引发机组振动。在交变作用力影响下，桨叶根部、导叶枢轴易产生疲劳裂纹，因此导叶、桨叶都设计成进水边厚、出水边薄的形状，以此降低卡门涡的影响。

如果导叶或桨叶的连杆关节轴承磨损严重导致间隙过大，则导叶或桨叶在卡门涡作用下会出现摆动现象，进一步加大调速器振荡和水流不稳定状态。

2.1.4 进水口水流不畅或拦污栅堵塞

在汛期，河水中的水草、垃圾较多，堆积在进水口拦污栅前。如不及时清理，将堵塞拦污栅，使机组有效水头降低，机组进水口有可能产生立轴漩涡，恶化进口流态，使进水流道水流不完全是轴线方向，存在一定的乱流。受此影响，机组易出现工作水头和负荷的波动，引起调速器持续振荡，从而振动加大。

例如湖南某电站4 号机组，固定拦污栅靠近浮式拦污栅末端，汛期经常出现垃圾堆积，不乏有大体积杂物，水头损失最高超过1 m。且4 号机组左侧为泄水闸挡墙，存在流动死角，巡视时可见水流从3号机向4 号机流动（机组前池共用，固定拦污栅安装在前池前），在水面形成较大立轴漩涡。在同负荷情况下，4 号机组振动明显大于其他机组。

2.1.5 狭缝射流

在水轮机运行过程中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在桨叶和转轮室之间的间隙中，会形成一股射流。由射流的流体特性可知，工作水头越高，间隙越小，则射流的速度越高，射流边缘的压力越低。为减小射流中的微小气泡的空化效应所带来的空蚀影响，通常桨叶在转轮室侧都有裙边设计。在转轮旋转过程中，转轮室壁受到射流-水流的循环作用，形成了周期性的空化效应和压力脉动，从而产生振动，可能导致疲劳破坏和表面汽蚀。常见有转轮室壁出现疲劳性裂纹[2]，转轮室外的漆膜局部剥落等现象。停机时导叶立面间夹有异物，导叶立面间隙产生的狭缝射流也会引起机组停机状态下的异常振动并发出尖啸声。

2.1.6 存在的其他原因

各导叶、桨叶开度不一致，过流面存在异物等情况都易引发水力不平衡，从而导致转轮的摆动。

2.2 机械和电气原因产生的振动

（1）主轴挠度

目前灯泡贯流式机组最常用的结构为双支点双悬臂型式，即水轮机转轮与发电机转子共用同一根主轴，在主轴前后分别设置有水导轴承和发导轴承，转轮和转子均为悬臂结构。这种结构不可避免会产生主轴挠度问题，如果主轴刚度不够或存在轴颈裂纹等原因导致挠度过大，会加大转轮运行时的摆度，并使转子气隙不均匀，在电磁力的作用下加剧机组振动。

主轴挠度可按以下公式进行计算[3]：

W：挠度；

P：转子/转轮重量；

l：转子/转轮中心至导轴承距离；

E：主轴的弹性模量；

I：主轴截面惯性矩，对于空心轴，计算式为：其中D：主轴外径；d：主轴内径。

以某电站转轮为例，转轮重量P=805 kN，转轮中心至水导轴承距离l=2 375 mm，主轴外径D=980 mm，内径d=200 mm，弹性模量E=206 GPa，代入上式计算可得转轮侧挠度约为0.39 mm。

（2）机组转动部分存在动不平衡，或者制造、安装工艺质量低，无法满足相应的标准要求，导致机组振动偏大。

（3）定子铁心、线棒，转子磁极出现位移或松动，电磁力变化使机组产生振动。机组转速、电流大小对振动的强弱影响较为明显。

（4）紧固件出现松动，固定部件和转动部件由于摩擦而导致振动，这种振动一般较大，且会伴随着出现金属撞击声（例如桨叶扫膛）。

2.3 机组振动原因的判定

由于水轮发电机组振动基本上是水力、机械、电磁等各种因素共同产生的，因此要从现场振动频率、开度和负荷变化情况、振动声响等方面综合判断其主要原因，一般可参考以下几点：

（1）振动频率低，频率和振幅随导叶开度和机组发电负荷变化而变化，可能为水力因素产生的振动。

（2）振动波形频率与机组转动频率相同，可能为转动机械部件问题引起的振动，如转轮或转子动不平衡、轴线偏差、局部间隙过小等。

（3）主要振动频率与电网频率成倍数关系[1]，则主要原因可能为电磁因素产生的振动。

3 机组振动的应对措施

（1）灯泡贯流式机组由于自身的结构特点，在机组负荷稳定时，机组发电性能好且振动小，水能利用效率高；机组作动态负荷调节时，机组稳定性差，水力振动大。因此，灯泡贯流式机组应尽量避免机组较长时间参与系统的动态控制或频繁调节负荷（例如投入AGC、一次调频等功能）。

（2）电站可通过机组稳定性试验，划定机组振动区，并将其写入机组监控系统程序，运行中自动避开机组振动区。建设机组振动、摆度在线监测系统，并定期校验传感器，确保在线监测系统的测量数据真实可靠。运行人员监盘时如发现振动偏高，应及时调整负荷，避开振动区间。

（3）机组投产后，应在厂家提供的协联关系曲线基础上做协联关系校验试验，对协联关系曲线进行修正，并将其录入调速系统，作为水轮机协联运行的依据。

定期校验机组净水头测量装置，保证其测量精度，防止水头不准造成导叶、桨叶在实际水头下失去协联；同时对净水头程序进行优化，手动水头信号设定值跟随自动水头同步刷新，在净水头信号突变时自动水头与手动水头的无扰动切换，防止负荷和导叶开度突变。

（4）做好技术监督工作，定期对主轴轴颈、桨叶根部、导叶、重要螺栓及焊缝等进行无损检测。

由于灯泡贯流式机组的转轮室与尾水管之间设置有伸缩节，为非刚性连接，因此导水机构外配、转轮室可看作支点为外管型壳的悬臂结构。国标中未对灯泡贯流式机组转轮室振动值作出明确规定，但转轮室振动对机组安全影响极大，一般情况下，转轮室也是机组受水力振动影响最大的部位，因此转轮室各连接螺栓、结构焊缝应是无损检测的重点部位。

（5）机组检修时，应加强对易受振动损害、易松动部件的检查。每年应测量机组大轴上抬量和轴向窜动量，如果存在机组轴线不正，应该在检修期间调整轴瓦和轴线来纠正。手动盘车检查时，如出现自转动现象，则表明存在动不平衡，可考虑通过动平衡试验采取转子配重的方法消除。机组检修时还应对桨叶窜动量进行测量，窜动量超标时及时更换桨叶枢轴铜套和抗磨环。测量和调整导叶立面和端面间隙，调整接力器压紧行程，并保证在规范要求范围内。检查导叶连杆关节轴承磨损情况，视情况更换。

（6）汛期来水较大，尾水位较高的情况下，应根据机组振动情况适当降低机组出力，减小水力振动。及时检查和清理固定拦污栅前垃圾，既可以降低水流紊乱带来的振动，也可以消除水头损失，提高发电效益。浮式拦污栅布置方式进行优化，将其另一端尽量往弧门侧进行延伸，加大其覆盖水面，避免水流在经过浮式拦污栅端部时将污渣集中堆积在该处的固定拦污栅前，造成该机组进水口流态紊乱。

4 结语

当前，随着水电在电力系统所占比重的增加，水轮发电机组的稳定对电力系统安全稳定运行的重要性也随之提高。振动是影响水轮发电机组稳定运行的重要因素，因此，机组振动情况是每个电站都应该研究和控制的技术课题。

机组出现了异常振动，要运用科学的试验和分析方法，依据试验数据来分析异常振动的原因，进行针对性的处理。机组一旦出现超过允许值的振动，应尽快调整机组运行参数，减少其振动值，甚至停运机组并进行抢修，以防机组发生严重破坏性事故的不良后果。要第一时间发现机组振动异常，则依赖于及时有效的在线实时监测，只有严密监测和掌握机组的工作状况，才能保障机组安全、稳定、高效运行。