丰海水电站水轮机运行振动及异常噪声原因分析与处理

王文忠

(葛洲坝集团第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

近年来，随着国内一大批低水头、大流量径流式水电站的开发建设和灯泡贯流式水轮发电机组的广泛使用，一些机组先后出现了异常振动和噪声较大的现象，危害机组的安全运行并限制了机组正常出力。

由于灯泡贯流式水轮机组具有结构复杂、尺寸较大、部件刚度相对较弱和固有频率低等特点，更增加了机组运行时发生局部共振的可能性。水轮发电机组运行中发生较大的异常振动，轻则产生异常噪声，重则使机组运行效率降低和影响机组出力，甚至导致机组结构受到破坏，危及机组安全运行。

水轮发电机组出现异常振动和噪声，多是由机械、电磁和水力3个方面的因素引起和造成。机组运行中的振动和噪声作为一种不可能完全避免和消除的现象，往往是由机组设备在设计、制造、安装、检修和运行过程中的诸多不当或缺陷引起的。所以，对灯泡贯流式水轮发电机组运行中的异常振动和噪声问题，进行分析、判定和处理，对解决水力机组振动问题，确保机组的安全、可靠运行和延长机组正常使用寿命具有重要意义。

1 电站概况及主要设备参数

1.1 电站概况

丰海水电站位于福建省永安市曹远镇丰海村境内九龙溪干流上，为低水头径流式水电站，河床式厂房，水库正常蓄水位▽190.5m，为日调节水库，电站安装2台单机容量为15.0 MW的灯泡贯流式水轮发电机组。

1.2 机组主要参数

水轮机主要参数:水轮机形式，灯泡贯流式;水轮机型号，GZA684－WP －440;转轮直径，4.4 m;桨叶数目，4 个;额定水头，9.90 m;最大水头，14.30 m;最小水头，3.23 m;额定输出功率，15.50 MW;额定转速，136.4 r/min;额定流量，136.95 m3/s;飞逸转速，400.0 r/min;旋转方向，从发电机端向下游方向看为顺时针;旋转方向，从发电机端向下游方向看为顺时针;轴向水推力，2 060 kN(正向)，2 060 kN(反向);质量，约 240 t。

发电机主要参数:发电机型号，SFWG12－44/4590;额定容量，15 MW;额定电压，6.3 kV;额定电流，1527 A;额定功率因数，0.9(滞后);额定频率，50 Hz;质量，约 190 t。

1.3 机组结构及特点

1.3.1 机组布置形式

丰海水电站机组采用转轮轴线卧轴水平布置，水轮机和发电机共用1根主轴，两端分别与转轮和转子直接连接。发电机被安置在完全封闭的灯泡体内，发电机定子机座通过螺栓与水轮机管形座内壳上游侧法兰连接，管形座下游侧法兰与导水机构内配水环相连，管形座外壳上游侧与流道盖板相连，下游侧与导水机构外配水环相连。

水轮发电机组支撑通过管形座自身的流线型上、下支柱(即管形座固定导叶)固定在砼流道基础上，发电机侧下部的支撑和水平的防振支撑为辅助支撑方式。管形座上、下支柱(固定导叶)同时也是机组的上、下通道，灯泡头上设有进人竖井，转轮室上、下部分别设有检修进人门。

转轮室为悬臂结构，与尾水管间设有伸缩节。尾水里衬上游侧与转轮室相连，下游侧与砼尾水管相连。

转动部分由2套导轴承支撑，轴承布置采用双支点双悬臂结构，发电机推力轴承与导轴承合并为发电机组合轴承，位于发电机转子下游侧，水轮机转轮位于水导轴承下游侧。

1.3.2 水轮机主要结构特点

GZA684－WP－440水轮机主要由埋入部分、固定部分和旋转部分组成，其中:埋入部分主要由管形座、尾水管里衬和框架等部件组成;固定部分主要由导水机构、转轮室等部件组成;旋转部分主要由转轮、主轴、导轴承、主轴密封、操作油管和受油器等部件组成。

管形座为钢板焊接结构，由上游管形座、前锥体、管形座内壳、外壳和固定导叶组成，均为分瓣制造到货，工地组焊或用螺栓组成整体。

导水机构采用导叶中心线与机组水平中心线夹角为60°的圆锥形结构，导叶采用双支点结构，控制环布置在外配水环上，由2个垂直布置的直缸接力器操纵。在控制环上左侧装挂有一重锤，正常时与接力器一同操作导叶关闭;当调速器发生事故时，靠重锤自身重量关闭导叶。

转轮接力器置于转轮体内转轮中心线的下游侧，采用缸体式结构操作。操作时活塞不动，接力器缸上下动作，同时带动叶片操作机构使叶片转动。

主轴与发电机转子和转轮均采用螺栓和轴向销相连，桨叶操作油管布置于主轴内腔。水导轴承为卧式、动静压结合轴承，为适应主轴的挠度变化，轴承座和内配水环连接采用柔性结构。受油器布置在发电机舱内，采用浮动瓦结构。

1.3.3 发电机主要结构特点

SFWG12－44/4590灯泡贯流式水轮发电机由定子、转子、组合轴承、灯泡体及其辅助部分组成。发电机位于水轮机的上游侧，灯泡头与定子、定子与水轮机座环均采用螺栓相连。为增加机组刚度，防止振动，在灯泡头部分设有辅助支撑。

发电机总体采用两支点悬吊型结构，转子为无轴结构，悬垂于水轮机主轴首端，采用机械制动方式。发电机通风冷却系统采用径、轴向混合强迫通风冷却方式。

发电机轴承为集正、反向推力轴承和径向轴承为一体的组合式轴承，位于转子下游侧。正向推力轴承为弹性圆盘支撑，反向为刚性支撑。

2 运行异常振动及噪声

丰海水电站首台机组自2005年5月1日首次启动，至2005年6月18日和11月18日2台机组先后并网投入发电试运行期间，一直受到机组异常振动和噪声的困扰。经安装单位现场多次试验，异常振动及噪声始终无法消除，其主要表现为:

(1)机组自动开机，桨叶开度为45.2%，导叶开度为63.4%时，转轮室开始出现异常响声;桨叶开度增大至92.7%、导叶开度增大至76.9%时，异常响声消失。当机组手动开机，桨叶开度固定在87.2%时，随着导叶开度的增大，机组出力增加，导叶开度增大至75.0%时，机组出力达到最大值13.80MW，随后机组的出力随导叶开度的增大而呈下降趋势，且机组水导处摆度值随出力下降呈上升趋势。

(2)当机组转速提高至额定转速的120.0%时，振动消失。

(3)通过振动信号频谱分析表明:转轮室受到冲击碰撞的频率为9.09 Hz，与转频和转轮叶片数的乘积(136.4/60 ×4=9.09(Hz))一致。

丰海水电站委托甘肃省电力科学研究院现场进行以下试验:第1，第2次变负荷试验;升降负荷和定桨变导叶试验;1次补气试验;动平衡试验和配重后变负荷试验;第2次定桨和补气试验后。试验结果显示:机组在10.0 MW以上工况运行时，振动、摆动和水压脉动值随开度的增大而显著增大，转轮室内出现异常声响，机组构件4倍转频振动明显增大。异常声响不是转轮叶片与转轮室碰磨的声音。

3 机组振动及噪声形成机制

分析水轮发电机组异常振动和噪声形成的原因，主要有机械、电磁和水力3个方面。

3.1 机械因素

机械方面的因素有:水轮机、发电机设计结构或制造质量存在缺陷，安装调试质量较差，如由于主轴弯(挠)曲、轴线折线，推力轴承调整不良，导轴承间隙过大，主轴法兰连接不紧和机组对中心不准等引起空载低转速时的振动;转轮等旋转件与静止件发生刮碰引起振动加剧并伴有声响。转动部分质量不平衡引起振动的典型特征是机组振动幅度随机组转速的上升而增大，而与负荷无关。

机械因素引起振动的共同特征是，振动频率等于机组的转动频率或整数倍的机组转动频率。

3.2 电磁因素

引起电磁振动的主要因素有转子绕组短路、空气间隙不均匀等，其特征是机组的振动幅度随发电机励磁电流的增大而增大。

转子绕组短路引起的转子振动大小取决于失去作用的线圈匝数，其振动的振幅与励磁电流有关，励磁电流增加，振幅增大。当去掉励磁电流，振动立即消失，所以，很容易把这种振动和其他原因产生的振动区分开来。

当发电机转子不圆或有摆度时，空气间隙就会产生不均匀，从而产生单边的不平衡磁拉力，随着转子的旋转而引起空气间隙周期性变化，单边不平衡磁拉力沿着圆周作周期性移动，引起机组振动。

3.3 水力因素

产生振动的水力因素主要有水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔气蚀、卡门涡列、间隙射流等。其特征是带有随机性，且当机组在非设计工况或过渡工况运行时，因水流状况恶化，机组各部件的振动亦明显增大。

4 振动及噪声成因分析

4.1 机械因素的排除

安装单位对停机机组各项安装数据进行复测并与原始数据进行对比，未见有明显变化，各项指标均在厂家、规范和标准技术要求内，未发现有超标准和超规范现象。而且，同时期其他单位安装的同型机组也存在同样的问题，故基本排除安装原因使机组产生振动和噪声的可能性。

从机组机械因素引起振动频率等于机组的转动频率或整数倍的机组转动频率特征和现场定桨变导叶试验和动平衡试验结果分析，可以排除机械因素使机组产生振动和噪声的可能性。

4.2 电磁因素的排除

根据机组电磁因素引起振动的幅度随发电机励磁电流的增大而增大的特征和现场变负荷试验、升降负荷试验和配重后变负荷试验结果分析，基本排除电磁因素引起机组振动和噪声的可能性。

4.3 水力因素分析

4.3.1 安装单位试验分析意见

根据机组运行振动、噪声现象和通过振动信号频谱分析，转轮室受到冲击碰撞的频率为9.09 Hz，与转频和转轮叶片数的乘积(136.4/60×4=9.09(Hz))一致，而且同期由其他单位安装的同型机组也存在同样问题。安装单位认为:机组产生振动、噪声可能与转轮叶片附近水流水力学因素有关，怀疑系转轮叶片的设计选型和制造精度存在不足所致。

4.3.2 第三方试验结论

甘肃省电力科学研究院在现场试验后指出:运行实践证明，当水轮机桨叶开度达到和超过40%，即功率超过10.0 MW时，转轮室就出现异常声响。而从振动试验数据分析，#2机组在4.0 MW附近和10.0MW以上工况运行时，振动、摆动和水压脉动值比较大，而且在10.0 MW以上工况运行时，振动、摆动和水压脉动值随开度的增大显著增大，转轮室里也出现了异常声响。从转轮前压力值变化与异常声响的关系看，这种声响与空化、空蚀有关。转轮室的异常声响出现后，机组构件4倍转频的振动也明显增大，这说明转轮室的异常声响极有可能是水力引起的空蚀振动噪声。初步判断机组的振动与水轮机转轮叶片开口不均匀而引起转轮圆周水力不平衡有关。

甘肃省电力科学研究院的上述试验结论，进一步证明安装单位关于机组振动原因判断的正确性。

4.3.3 结论性意见

经建设单位、组织安装单位、设备制造厂和电力科学研究院及相关行业专家，共同对可能使机组产生振动和噪声的原因进行进一步的分析和讨论，最终达成以下共识:

(1)水轮机转轮叶片实际加工型线与设计理论型线之间的偏差可能过大;

(2)水轮机转轮叶片外缘裙边与转轮室间隙可能存在间隙涡列现象，引发水力脉动和气蚀破坏，从而引起机组振动;

(3)水轮机转轮开口可能不均匀，导致导叶水流与转轮叶片进、出口的水流产生扰流现象。

5 消缺处理

根据上述分析，设备制造厂家对转轮叶片线型进行了检查和修整打磨处理，重新开机，机组振动及噪声未见明显变化。

将转轮叶片外缘裙边高度由原来的100 mm切割至50 mm，转轮与转轮室间隙保持3 mm不变，经打磨后，重新开机，故障没有明显变化。

后经进一步仔细观察转轮叶片表面及转轮室内壁，发现转轮室上、下进人孔活门与转轮室关闭间隙为20～25 mm，正处于转轮叶片旋转径向中心线上，怀疑其存在水流扰流影响的可能性较大(工程实践中，这种情况使机组产生振动和噪声的情况极少)。在建设单位和设备制造厂家同意后，将上、下进人孔活门与转轮室间隙用电焊焊接封闭，打磨平滑后再次开机，机组振动和噪声现象消失。

6 结束语

在工程实践中，虽然因机组转轮室进人孔活门关闭间隙过大而使机组产生振动和噪声的情况极少，但由于该型水轮机转轮室上、下进人孔位置正好布置于转轮叶片旋转径向中心线上，而叶片外缘与转轮室之间的缝隙区域，又恰是水轮机中水力流态最为不利的部位之一，客观上造成)转轮叶片在旋转运行时，因进人孔活门关闭间隙局部存在水力扰流和脉动而形成局部水力压力脉动和空化空蚀现象，从而引发水轮机的振动和噪声。这是典型的“作用在水轮机转轮叶片上的水力交变分量引起的压力脉动”引起的机组振动和噪声现象。

建议设备制造厂家今后在同类型机组转轮室设计制造时改进设计，将转轮室检修进人孔位置布置错开转轮旋转径向中心一定距离，提高进人孔活门的制造装配精度，减小活门与转轮室过流面错台和间隙，或直接取消转轮室检修进人孔，改由其他检修进入方式代替。