水轮机动静干涉的解决方案探讨

彭小东，李丽霞

(1.中电建水电开发集团有限公司，成都,610041； 2.中国水利水电第四工程局有限公司，西宁,810007)

水轮机动静干涉的解决方案探讨

彭小东1，李丽霞2

(1.中电建水电开发集团有限公司，成都,610041； 2.中国水利水电第四工程局有限公司，西宁,810007)

介绍水轮机动静干涉的特点，指出水轮机选型设计过程中应当注意动静干涉问题。通过分析某电站水轮机动静干涉引起振动的解决方案，对可能的防动静干涉措施进行了讨论，得出了指导性意见。

水轮机 动静干涉 振动 解决方案

1 概述

水轮机运行的稳定性是关系到水轮发电机组甚至水电站厂房是否安全稳定运行的重要因素。随着水电建设事业的快速发展，由于水轮机水力振动导致的转轮裂纹、机组振动甚至厂房振动时有发生，水轮机运行稳定性问题突出。

引起水轮机水力振动的原因较为复杂多样，其中，动静干涉也是引起水力振动的原因之一。所谓动静干涉指旋转部件和固定部件间流动的相互干扰。水轮机转轮叶片旋转时，周期性地切割活动导叶出口的尾迹，导致转轮内的水流出现周期性扰动，从而产生动静干涉问题。水轮机中这种相互干扰引起的不稳定流可能引起水力振动，导叶、转轮叶片疲劳破坏出现裂纹，影响机组的安全运行，情况严重时甚至会引发厂房共振，危及电站安全生产。

本文讨论了水轮机动静干涉的形成原因，以及由其引发的水力振动的表现，并针对某电站混流式水轮机动静干涉引起厂房振动的问题进行了分析，得出了缓解和消除水轮机动静干涉引起水力振动的几点措施。

2 水轮机动静干涉

2.1 动静干涉的形成

水轮机在稳定运行工况下，转轮叶片和活动导叶在相对运动过程中，由于尾迹效应在活动导叶出口处产生不均匀的流场，同时转轮叶片在压力负荷作用下产生的周期性流动，将会产生有规律的、周期性的叶栅干扰。此现象在活动导叶数Zw和转轮叶片数Zr相差为1的情况下较易发生。因为在此条件下，活动导叶过流频率为fw=n×Zw/60(n为水轮机额定转速，下同)，转轮叶片过流频率为fr=n×Zr/60，两者频率非常接近。由转轮叶片和活动导叶之间的叶栅干扰引起的水力激振与转轮的振动特性发生耦合时，将会引起水轮机振动甚至电站厂房共振的现象。

2.2 动静干涉引起振动的表现

水轮机动静干涉引起振动时，设备或厂房地面的振动程度、机组噪声等一般随负荷增加而增大，满负荷运行时厂房振动和机组噪音达到最大。情况严重时，水轮机层和发电机层地面、尾水平台等建筑物振动明显，机旁屏柜等设备均产生不同程度振动和噪声。在工程实践中，也存在部分电站水轮机发生动静干涉引起振动，虽然水轮发电机组自身的振动摆度并未超过规范要求，但是电站厂房却发生振动现象。对电站厂房振动进行响应测试，一般可以发现厂房的主振频率集中在转轮叶片过流频率或活动导叶过流频率及其倍频。

2.3 消除水轮机动静干涉引起振动的主要措施

水轮机动静干涉引起的动态应力将会使过流部件材料的疲劳强度显著降低，引起导叶、转轮叶片疲劳破坏出现裂纹，影响机组的安全运行，严重时甚至会引起其他设备和厂房发生共振，危及电站的安全稳定运行。

为防止和减轻水轮机动静干涉引起振动，根据我国水轮机制造厂多年来的设计、制造经验及教训与总结，除了建议在设计阶段设计单位应当进行建筑物动力分析和稳定性计算，保证水工建筑物自振频率与设备振动频率错开30%以上，避免建筑物产生振动的可能性外，水轮机转轮的选型、过流部件的设计和制造，应当作为首要任务和重点工作。具体措施如下：

(1)在设计过程中，转轮在水中的固有频率及其振型要尽可能避开所选叶栅组合产生的激振模式，尤其是要注意活动导叶数Zw和转轮叶片数Zr相差为1的情况。必要时应当进行水轮机动静干涉的非定常流动数值模拟计算，优化活动导叶数和转轮叶片数的组合方式；

(2)对于已经产生水轮机动静干涉引起振动现象的电站，可以采取改变转轮叶片数量、转轮增加短叶片、对称切短转轮叶片、改变活动导叶数量、修正活动导叶尾部形状、在蜗壳鼻端开孔等方法进行处理。

3 工程实例分析

某水电站采用引水式开发，最大水头134.6m，最小水头116.5m，额定水头118m。电站装设3台单机容量15MW的立式混流式水轮发电机组。水轮机型号HL(F713)-LJ-140，额定转速500r/min，转轮叶片数15，活动导叶数16。

电站机组正式并网运行后，机组和厂房出现异常现象。单机负荷超过10MW时，厂房地面振动和机组噪声明显增大，满负荷15MW运行时厂房振动和噪音最严重。两台机组同时满负荷运行时水车室内噪音最大值达96.6dB，机组进水蝶阀旁通管手动旁通阀及蜗壳排水阀的操作阀门、机旁屏柜、调速器控制柜、雨淋阀等设备均发出不同程度振动噪声。机组进水蝶阀上游侧压力钢管支管中心处混凝土地面(水轮机层)、水轮机层母线廊道、发电机层地面、尾水平台等建筑物及其构架振动明显。机组停机检查发现部分管路连接螺栓、进水蝶阀旁通阀操作机构限位螺栓、上下导油盆相关螺栓均存在不同程度的松动。

初步分析厂房各部位实测振动波形，发现厂房各部位实测振动在时间历程上相对比较平稳，其幅值和波形均呈现相对稳定的特征。进一步对实测振动波形开展时-频特性分析，选取厂房发电机层和水轮机层典型部位振动加速度数据开展随振动历程的频谱特性分析，并绘制时-频曲线三维图(图1、图2)。

(a)2#机组发电机层调速器基础楼板

(b)2#机组发电机层机旁盘基础楼板

(c)2#机组发电机层下游边墙

(a)2#机组蜗壳排水阀

(b)2#机组蝶阀旁通阀

从图1、图2可以看出，各部位振动存在以下显著特点：

(1)厂房发电机层、水轮机层、蜗壳排水阀、蝶阀旁通管振动频谱特性在时间历程上相对固定，同时振动FFT峰值在时间历程分布上也相对稳定，即厂房振动呈现相对稳态的特征；

(2)厂房振动加速度的频带分布相对比较统一，第一峰值频带一般分布在125Hz，其倍频250Hz一般为第二峰值频带，另外375Hz和500Hz频带能量在特征点时-频图上也有所体现。厂房振动加速度的频带与机组过流频率(转轮叶片过流频率fw=125Hz)十分接近。

经过分析讨论厂房振动监测资料、机组运行数据等相关资料，专家组认为设备和厂房振动主要是由于水轮机活动导叶数16与转轮叶片数15不匹配，从而导致水轮机动静干涉引起的。运行单位最终决定对导水机构进行改造，将活动导叶数调整为20。

2#机组导水机构改造完毕后，机组运行状态良好。在2#机组单独运行工况下，设备和厂房振动现象明显降低。在不同工况运行条件下，测试单位开展了厂房特征部位的振动响应情况和振动特性测试工作。通过测试分析发现，在2#机组单独运行工况下，厂房振动频率构成较为分散，频带主要集中在8.3Hz、110Hz、260Hz左右甚至更高，主振频率不再集中于125Hz。厂房发电机层、水轮机层和蝶阀基础部位测点的水平横向(x向)和竖直向(z向)振速大小减小10%～40%，而厂房发电机层水平纵向(y向)各测点振速变化不大。详见图3所示。

(a)水平横向(x向)振速对比

(b)水平纵向(y向)振速对比

(c)竖直向(z向)振速对比

导水机构改造后，2#机组单独满负荷运行时，厂房内各区域噪声总体减小。中控室、办公室、会议室等场所，噪声降低效果很明显，水车室、水轮机层噪声也显著减小(详见表1)。

表1 导水机构改造前、后厂房各部位噪声监测(工况：2#机组15MW)

这说明2#水轮机导水机构活动导叶数由16调整为20后，水轮机的动静干涉问题基本消除，通过调整导水机构活动导叶数解决水轮机动静干涉的方案是可行的。

4 结语

水轮机运行的稳定性是水轮发电机组和水电站厂房是否安全稳定运行的重要因素。在水轮机选型设计过程中，应当特别注意水轮机动静干涉问题。尤其是水轮机运行时，在设备和建筑物产生异常噪声和振动的情况下，应及时进行测试分析，确定其产生的原因，并采取必要的措施进行处理。前述的水轮机防动静干涉方案在技术上是可行的，在工程实践中能一定程度地缓解和消除水轮机动静干涉引起的水力振动。

〔1〕庞立军，吕桂萍，刘晶石等.高水头水泵水轮机转轮的抗振防裂纹设计.机械工程学报，2013，(4).

〔2〕陈小沁，张利民，张 健.水轮发电机组振动测试和分析.上海大中型电机.2006，(3).

〔3〕肖惠民，于 波.水轮机动静干涉的非定常流动数值模拟.大电机技术，2009，(5).

〔4〕刘华清.柏香林电站机组与厂房的振动分析.云南水力发电，2006，(5).

〔5〕陈国栋.水轮机组振动的分析与处理.福建电力与电工，1998，(2).

彭小东(1984.9-)男，四川南充人，硕士，主要从事电站机电设备管理与水力过渡过程计算研究。

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TK730.313+TK730.323

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2095-1809(2016)02-0101-04