东江水电站水轮机水力振动的形成及其影响分析

胡磊

东江水力发电厂 湖南资兴 423403

1 小东江水电站的概况

小东江水电站位于湖南省资兴市境内的湘江支流耒水上游资兴境内，装有单机容量7.0MW轴流定桨式机组两台、20.5MW转浆式机组2台，总装机容量为50MW,该电站只用于发电，不承担防洪、航运、灌溉等其他任务，对洪水无调节作用。

2 轴流定桨式水轮机的结构特点：

轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，二者结构上最明显的差别是转轮，其次是导叶高度。轴流式水轮机用于开发较低水头（3m-55m），较大流量的水能资源。它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大可以采用较小的转轮直径和较高的转速，从而缩小了机组尺寸，降低了投资。轴流转桨式水轮机，由于桨叶和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，是一种值得广泛使用的优良机型。

3 运行现象

我厂轴流定桨式机组，由于当初建造选型等历史遗留问题，机组型号不匹配，在安装工艺上，由于小东江电站为大东江电站整个建造工期的附属工程，在水工建筑尤其是机坑精度方面以及机组装配方面精度不够，且轴流定浆式机组是高比转速机组，故机组振动问题严重，在小东江水电站2#机就出现齿盘测速探头被磨损，齿盘测速装置振坏而停用，造成其更换频繁，备品消耗严重；由于振动，多次出现导叶、轮叶位置传感器电气连接插把松动脱落而引起机组停机或或停机不下，2＃机导叶拐臂连杆多次脱出，2＃机浆叶操作油管先是下端开裂或后就上端断裂也与振动原因分不开。下面就轴流定桨式水轮机水力振动的形成、危害、运行注意事项进行简单分析[1]。

4 轴流定浆式水轮机水力振动

水力振动是机组振动的重要干扰源，就轴流定桨式水轮机而言，水力振动主要由以下原因引起，即：涡带振动、卡门涡列、狭缝射流、协联关系不正确等。

4.1 涡带振动

根据速度三角形可以知道，由转轮流出的水流方向，在最优工况时，大致为轴向，但是，机组负荷不可能总是在设计工况运行，当负荷大于最优工况时，水流就具有与转轮旋转方向相反的旋转分量；而负荷比最优工况小时，就具有与旋转方向同向的旋转分量，这样，在尾水管中心附近就产生具有某个边界层的旋转涡带。涡带中心压力较低，在尾水位低时，其中心部分压力更低，形成汽蚀，这就是一般称为的“空腔汽蚀”。在高负荷运行时（水轮机额定出力周围），涡带往往比较稳定；而在低负荷运行时，涡带成为龙卷状，在尾水管内旋转摆动，从而在尾水管内引起压力脉动，在水轮机运行层可以听到“空空”的声响。其压力脉动频率为：

f=n/（60Z）

式中f压力脉动频率（Hz）

n水轮机转速（r/min）

Z经验值，一般取3-4（有时也接近于1-5）

压力脉动的频率和幅值是随机组工况的变化而变化的。假若与过水系统水压脉动频率共振时，就造成水轮机整个过流系统的强烈水压脉动，即尾水管、管型座和电站水工建筑物等的振动。并且会引起机组转速不稳定，造成并网困难，尤其机组带资兴单网运行时机组转速更加不稳定，这在小东江水电站已经出现过。另外，当小东江电站机组处于“飞逸”泄水工况时，尾水管进口处的压力脉动更大。

4.2 由卡门涡引起的振动

卡门涡是一种涡列，当流体流过一圆柱体或板（包括一般不绕流体）时，在物体后面就会沿着两条互相平行的直线产生一系列相隔一定距离的单涡（见图1）。这一系列单涡称之为卡门涡列。各个单涡以相反的旋转的形式交替在物体两后侧释放出来，与此同时，物体就受到与来流方向垂直的很强的交变力。这种交变力与旋涡频率相同。其振动频率为：

f=St*V/δ

式中f振动频率(Hz)

St斯特雷哈系数（一般取0.15-0.2）

V：绕流流速(m/s)

δ：圆柱体直径或板厚(m)

Vδ

图1 卡门单涡示意图

这种涡列在水轮机运行中也经常出现，导叶和轮叶在具有钝尾时，就会在叶片后面出现卡门涡列，，因此，在机组检修过程中，应特别注意疲劳裂纹的检查。

这种涡的发生与否，与水流中物体的形状有关，其频率受水流流速的影响。因此，流速达到某一值，共振条件一成立，就会发生强烈的振动。所以实际水轮机在运转时，卡门涡列引起的振动是在一定的工况下发生。下面列出卡门涡列与涡带的区别（见表1），以供运行人员在水轮机实际运行中参考。

4.3 狭缝射流

表1 涡带与卡门涡列的区别

在轴流定桨式水轮机中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在轮叶外缘和转轮室之间的狭窄缝隙（小东江水电站的间隙是7mm）中，形成一股射流，其速度很高而压力非常低。在转轮旋转过程中，转轮室壁的某一部分在叶片达到的瞬间处于低压；而在轮叶离去后又处于高压，如此循环，形成了对转轮室壁的周期性压力脉动，从而产生振动，导致疲劳破坏。这种振动的频率为：

f=（Z1n）/60

f：压力脉动频率（Hz）n：水轮机转速（r/min）Z1：叶片数目(小东江电站7片)

4.4 协联关系不正确引起的振动

根据运行经验，当转桨式水轮机中协联关系不正确或协联曲线与上游水位不一致（如上游水位高而协联曲线低）时，一方面会引起调速器系统持续振荡过程变长，机组出力、转速发生振荡，转动部分扭矩就会引起大轴变形，从而使转子产生扭转振动；另一方面，由于水流情况恶化，在水导轴承、组合轴承处引起轴向振动，对于小东江水电站（转轮直径5600mm）而言，这种情况表现更为强烈。

同时，协联关系不正确时，转轮叶片不再具有无撞击进口，水流对叶片就会产生冲击，在不断的调节过程中，由于冲角随时在变化，作用在叶片上的负荷及由此而产生的叶片扭矩、变形等也相应变化，这些变化过程就反映了振动的进程。

4.5 其它原因引起的振动

当水轮机汽蚀严重时，同时产生机械振动和噪音，特别是在低水头低负荷时，转轮叶片冲角变化较大，使叶片产生强烈的脱流旋涡，一方面恶化汽蚀现象，另一方面引起转动部分和尾水管的振动，这种振动频率没有一定规律。这种振动称之为由汽蚀引起的振动。另外，在停机或甩负荷导叶快关时的反水锤，也会引起机组振动。

5 结语

以及现场运行人员应当综合考虑的问题。就小东江电站机组运行方面来说就是避开振动区运行，每次开机带满负荷后根据当时实际水头设置相应的导叶、负荷协联曲线，在运行过程中上游水位降底或升高时即使调整导叶、负荷协联曲线，且尽量使机组在额定水头左右运我国国土辽阔，低水头资源相当丰富，轴流定桨式机组作为开发低水头资源的既经济又适用的主导机型，已在国内外广泛应用，但其水力振动和噪音普遍偏大，如何减少机组振动和噪音，是设计人员、科研工作者行，带资兴小网运行时因水轮机转动贯量小不仅振动大且机组来回抽动，很难稳定运行，应尽量避免这种运行方式。