豐海水電站水輪機(jī)運行振動及異常噪聲原因分析與處理

王文忠

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)一大批低水頭、大流量徑流式水電站的開發(fā)建設(shè)和燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的廣泛使用，一些機(jī)組先后出現(xiàn)了異常振動和噪聲較大的現(xiàn)象，危害機(jī)組的安全運行并限制了機(jī)組正常出力。

由于燈泡貫流式水輪機(jī)組具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、部件剛度相對較弱和固有頻率低等特點，更增加了機(jī)組運行時發(fā)生局部共振的可能性。水輪發(fā)電機(jī)組運行中發(fā)生較大的異常振動，輕則產(chǎn)生異常噪聲，重則使機(jī)組運行效率降低和影響機(jī)組出力，甚至導(dǎo)致機(jī)組結(jié)構(gòu)受到破壞，危及機(jī)組安全運行。

水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)異常振動和噪聲，多是由機(jī)械、電磁和水力3個方面的因素引起和造成。機(jī)組運行中的振動和噪聲作為一種不可能完全避免和消除的現(xiàn)象，往往是由機(jī)組設(shè)備在設(shè)計、制造、安裝、檢修和運行過程中的諸多不當(dāng)或缺陷引起的。所以，對燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運行中的異常振動和噪聲問題，進(jìn)行分析、判定和處理，對解決水力機(jī)組振動問題，確保機(jī)組的安全、可靠運行和延長機(jī)組正常使用壽命具有重要意義。

1 電站概況及主要設(shè)備參數(shù)

1.1 電站概況

豐海水電站位于福建省永安市曹遠(yuǎn)鎮(zhèn)豐海村境內(nèi)九龍溪干流上，為低水頭徑流式水電站，河床式廠房，水庫正常蓄水位▽190.5m，為日調(diào)節(jié)水庫，電站安裝2臺單機(jī)容量為15.0 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

1.2 機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)主要參數(shù):水輪機(jī)形式，燈泡貫流式;水輪機(jī)型號，GZA684－WP －440;轉(zhuǎn)輪直徑，4.4 m;槳葉數(shù)目，4 個;額定水頭，9.90 m;最大水頭，14.30 m;最小水頭，3.23 m;額定輸出功率，15.50 MW;額定轉(zhuǎn)速，136.4 r/min;額定流量，136.95 m3/s;飛逸轉(zhuǎn)速，400.0 r/min;旋轉(zhuǎn)方向，從發(fā)電機(jī)端向下游方向看為順時針;旋轉(zhuǎn)方向，從發(fā)電機(jī)端向下游方向看為順時針;軸向水推力，2 060 kN(正向)，2 060 kN(反向);質(zhì)量，約 240 t。

發(fā)電機(jī)主要參數(shù):發(fā)電機(jī)型號，SFWG12－44/4590;額定容量，15 MW;額定電壓，6.3 kV;額定電流，1527 A;額定功率因數(shù)，0.9(滯后);額定頻率，50 Hz;質(zhì)量，約 190 t。

1.3 機(jī)組結(jié)構(gòu)及特點

1.3.1 機(jī)組布置形式

豐海水電站機(jī)組采用轉(zhuǎn)輪軸線臥軸水平布置，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共用1根主軸，兩端分別與轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)子直接連接。發(fā)電機(jī)被安置在完全封閉的燈泡體內(nèi)，發(fā)電機(jī)定子機(jī)座通過螺栓與水輪機(jī)管形座內(nèi)殼上游側(cè)法蘭連接，管形座下游側(cè)法蘭與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)配水環(huán)相連，管形座外殼上游側(cè)與流道蓋板相連，下游側(cè)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外配水環(huán)相連。

水輪發(fā)電機(jī)組支撐通過管形座自身的流線型上、下支柱(即管形座固定導(dǎo)葉)固定在砼流道基礎(chǔ)上，發(fā)電機(jī)側(cè)下部的支撐和水平的防振支撐為輔助支撐方式。管形座上、下支柱(固定導(dǎo)葉)同時也是機(jī)組的上、下通道，燈泡頭上設(shè)有進(jìn)人豎井，轉(zhuǎn)輪室上、下部分別設(shè)有檢修進(jìn)人門。

轉(zhuǎn)輪室為懸臂結(jié)構(gòu)，與尾水管間設(shè)有伸縮節(jié)。尾水里襯上游側(cè)與轉(zhuǎn)輪室相連，下游側(cè)與砼尾水管相連。

轉(zhuǎn)動部分由2套導(dǎo)軸承支撐，軸承布置采用雙支點雙懸臂結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)推力軸承與導(dǎo)軸承合并為發(fā)電機(jī)組合軸承，位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下游側(cè)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪位于水導(dǎo)軸承下游側(cè)。

1.3.2 水輪機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點

GZA684－WP－440水輪機(jī)主要由埋入部分、固定部分和旋轉(zhuǎn)部分組成，其中:埋入部分主要由管形座、尾水管里襯和框架等部件組成;固定部分主要由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室等部件組成;旋轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)軸承、主軸密封、操作油管和受油器等部件組成。

管形座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由上游管形座、前錐體、管形座內(nèi)殼、外殼和固定導(dǎo)葉組成，均為分瓣制造到貨，工地組焊或用螺栓組成整體。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)葉中心線與機(jī)組水平中心線夾角為60°的圓錐形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉采用雙支點結(jié)構(gòu)，控制環(huán)布置在外配水環(huán)上，由2個垂直布置的直缸接力器操縱。在控制環(huán)上左側(cè)裝掛有一重錘，正常時與接力器一同操作導(dǎo)葉關(guān)閉;當(dāng)調(diào)速器發(fā)生事故時，靠重錘自身重量關(guān)閉導(dǎo)葉。

轉(zhuǎn)輪接力器置于轉(zhuǎn)輪體內(nèi)轉(zhuǎn)輪中心線的下游側(cè)，采用缸體式結(jié)構(gòu)操作。操作時活塞不動，接力器缸上下動作，同時帶動葉片操作機(jī)構(gòu)使葉片轉(zhuǎn)動。

主軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪均采用螺栓和軸向銷相連，槳葉操作油管布置于主軸內(nèi)腔。水導(dǎo)軸承為臥式、動靜壓結(jié)合軸承，為適應(yīng)主軸的撓度變化，軸承座和內(nèi)配水環(huán)連接采用柔性結(jié)構(gòu)。受油器布置在發(fā)電機(jī)艙內(nèi)，采用浮動瓦結(jié)構(gòu)。

1.3.3 發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點

SFWG12－44/4590燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、組合軸承、燈泡體及其輔助部分組成。發(fā)電機(jī)位于水輪機(jī)的上游側(cè)，燈泡頭與定子、定子與水輪機(jī)座環(huán)均采用螺栓相連。為增加機(jī)組剛度，防止振動，在燈泡頭部分設(shè)有輔助支撐。

發(fā)電機(jī)總體采用兩支點懸吊型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為無軸結(jié)構(gòu)，懸垂于水輪機(jī)主軸首端，采用機(jī)械制動方式。發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)采用徑、軸向混合強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式。

發(fā)電機(jī)軸承為集正、反向推力軸承和徑向軸承為一體的組合式軸承，位于轉(zhuǎn)子下游側(cè)。正向推力軸承為彈性圓盤支撐，反向為剛性支撐。

2 運行異常振動及噪聲

豐海水電站首臺機(jī)組自2005年5月1日首次啟動，至2005年6月18日和11月18日2臺機(jī)組先后并網(wǎng)投入發(fā)電試運行期間，一直受到機(jī)組異常振動和噪聲的困擾。經(jīng)安裝單位現(xiàn)場多次試驗，異常振動及噪聲始終無法消除，其主要表現(xiàn)為:

(1)機(jī)組自動開機(jī)，槳葉開度為45.2%，導(dǎo)葉開度為63.4%時，轉(zhuǎn)輪室開始出現(xiàn)異常響聲;槳葉開度增大至92.7%、導(dǎo)葉開度增大至76.9%時，異常響聲消失。當(dāng)機(jī)組手動開機(jī)，槳葉開度固定在87.2%時，隨著導(dǎo)葉開度的增大，機(jī)組出力增加，導(dǎo)葉開度增大至75.0%時，機(jī)組出力達(dá)到最大值13.80MW，隨后機(jī)組的出力隨導(dǎo)葉開度的增大而呈下降趨勢，且機(jī)組水導(dǎo)處擺度值隨出力下降呈上升趨勢。

(2)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速提高至額定轉(zhuǎn)速的120.0%時，振動消失。

(3)通過振動信號頻譜分析表明:轉(zhuǎn)輪室受到?jīng)_擊碰撞的頻率為9.09 Hz，與轉(zhuǎn)頻和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的乘積(136.4/60 ×4=9.09(Hz))一致。

豐海水電站委托甘肅省電力科學(xué)研究院現(xiàn)場進(jìn)行以下試驗:第1，第2次變負(fù)荷試驗;升降負(fù)荷和定槳變導(dǎo)葉試驗;1次補(bǔ)氣試驗;動平衡試驗和配重后變負(fù)荷試驗;第2次定槳和補(bǔ)氣試驗后。試驗結(jié)果顯示:機(jī)組在10.0 MW以上工況運行時，振動、擺動和水壓脈動值隨開度的增大而顯著增大，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)出現(xiàn)異常聲響，機(jī)組構(gòu)件4倍轉(zhuǎn)頻振動明顯增大。異常聲響不是轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室碰磨的聲音。

3 機(jī)組振動及噪聲形成機(jī)制

分析水輪發(fā)電機(jī)組異常振動和噪聲形成的原因，主要有機(jī)械、電磁和水力3個方面。

3.1 機(jī)械因素

機(jī)械方面的因素有:水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)或制造質(zhì)量存在缺陷，安裝調(diào)試質(zhì)量較差，如由于主軸彎(撓)曲、軸線折線，推力軸承調(diào)整不良，導(dǎo)軸承間隙過大，主軸法蘭連接不緊和機(jī)組對中心不準(zhǔn)等引起空載低轉(zhuǎn)速時的振動;轉(zhuǎn)輪等旋轉(zhuǎn)件與靜止件發(fā)生刮碰引起振動加劇并伴有聲響。轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡引起振動的典型特征是機(jī)組振動幅度隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升而增大，而與負(fù)荷無關(guān)。

機(jī)械因素引起振動的共同特征是，振動頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動頻率或整數(shù)倍的機(jī)組轉(zhuǎn)動頻率。

3.2 電磁因素

引起電磁振動的主要因素有轉(zhuǎn)子繞組短路、空氣間隙不均勻等，其特征是機(jī)組的振動幅度隨發(fā)電機(jī)勵磁電流的增大而增大。

轉(zhuǎn)子繞組短路引起的轉(zhuǎn)子振動大小取決于失去作用的線圈匝數(shù)，其振動的振幅與勵磁電流有關(guān)，勵磁電流增加，振幅增大。當(dāng)去掉勵磁電流，振動立即消失，所以，很容易把這種振動和其他原因產(chǎn)生的振動區(qū)分開來。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓或有擺度時，空氣間隙就會產(chǎn)生不均勻，從而產(chǎn)生單邊的不平衡磁拉力，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而引起空氣間隙周期性變化，單邊不平衡磁拉力沿著圓周作周期性移動，引起機(jī)組振動。

3.3 水力因素

產(chǎn)生振動的水力因素主要有水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動、空腔氣蝕、卡門渦列、間隙射流等。其特征是帶有隨機(jī)性，且當(dāng)機(jī)組在非設(shè)計工況或過渡工況運行時，因水流狀況惡化，機(jī)組各部件的振動亦明顯增大。

4 振動及噪聲成因分析

4.1 機(jī)械因素的排除

安裝單位對停機(jī)機(jī)組各項安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，未見有明顯變化，各項指標(biāo)均在廠家、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)準(zhǔn)和超規(guī)范現(xiàn)象。而且，同時期其他單位安裝的同型機(jī)組也存在同樣的問題，故基本排除安裝原因使機(jī)組產(chǎn)生振動和噪聲的可能性。

從機(jī)組機(jī)械因素引起振動頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動頻率或整數(shù)倍的機(jī)組轉(zhuǎn)動頻率特征和現(xiàn)場定槳變導(dǎo)葉試驗和動平衡試驗結(jié)果分析，可以排除機(jī)械因素使機(jī)組產(chǎn)生振動和噪聲的可能性。

4.2 電磁因素的排除

根據(jù)機(jī)組電磁因素引起振動的幅度隨發(fā)電機(jī)勵磁電流的增大而增大的特征和現(xiàn)場變負(fù)荷試驗、升降負(fù)荷試驗和配重后變負(fù)荷試驗結(jié)果分析，基本排除電磁因素引起機(jī)組振動和噪聲的可能性。

4.3 水力因素分析

4.3.1 安裝單位試驗分析意見

根據(jù)機(jī)組運行振動、噪聲現(xiàn)象和通過振動信號頻譜分析，轉(zhuǎn)輪室受到?jīng)_擊碰撞的頻率為9.09 Hz，與轉(zhuǎn)頻和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的乘積(136.4/60×4=9.09(Hz))一致，而且同期由其他單位安裝的同型機(jī)組也存在同樣問題。安裝單位認(rèn)為:機(jī)組產(chǎn)生振動、噪聲可能與轉(zhuǎn)輪葉片附近水流水力學(xué)因素有關(guān)，懷疑系轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計選型和制造精度存在不足所致。

4.3.2 第三方試驗結(jié)論

甘肅省電力科學(xué)研究院在現(xiàn)場試驗后指出:運行實踐證明，當(dāng)水輪機(jī)槳葉開度達(dá)到和超過40%，即功率超過10.0 MW時，轉(zhuǎn)輪室就出現(xiàn)異常聲響。而從振動試驗數(shù)據(jù)分析，#2機(jī)組在4.0 MW附近和10.0MW以上工況運行時，振動、擺動和水壓脈動值比較大，而且在10.0 MW以上工況運行時，振動、擺動和水壓脈動值隨開度的增大顯著增大，轉(zhuǎn)輪室里也出現(xiàn)了異常聲響。從轉(zhuǎn)輪前壓力值變化與異常聲響的關(guān)系看，這種聲響與空化、空蝕有關(guān)。轉(zhuǎn)輪室的異常聲響出現(xiàn)后，機(jī)組構(gòu)件4倍轉(zhuǎn)頻的振動也明顯增大，這說明轉(zhuǎn)輪室的異常聲響極有可能是水力引起的空蝕振動噪聲。初步判斷機(jī)組的振動與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片開口不均勻而引起轉(zhuǎn)輪圓周水力不平衡有關(guān)。

甘肅省電力科學(xué)研究院的上述試驗結(jié)論，進(jìn)一步證明安裝單位關(guān)于機(jī)組振動原因判斷的正確性。

4.3.3 結(jié)論性意見

經(jīng)建設(shè)單位、組織安裝單位、設(shè)備制造廠和電力科學(xué)研究院及相關(guān)行業(yè)專家，共同對可能使機(jī)組產(chǎn)生振動和噪聲的原因進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論，最終達(dá)成以下共識:

(1)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片實際加工型線與設(shè)計理論型線之間的偏差可能過大;

(2)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片外緣裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙可能存在間隙渦列現(xiàn)象，引發(fā)水力脈動和氣蝕破壞，從而引起機(jī)組振動;

(3)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪開口可能不均勻，導(dǎo)致導(dǎo)葉水流與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出口的水流產(chǎn)生擾流現(xiàn)象。

5 消缺處理

根據(jù)上述分析，設(shè)備制造廠家對轉(zhuǎn)輪葉片線型進(jìn)行了檢查和修整打磨處理，重新開機(jī)，機(jī)組振動及噪聲未見明顯變化。

將轉(zhuǎn)輪葉片外緣裙邊高度由原來的100 mm切割至50 mm，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙保持3 mm不變，經(jīng)打磨后，重新開機(jī)，故障沒有明顯變化。

后經(jīng)進(jìn)一步仔細(xì)觀察轉(zhuǎn)輪葉片表面及轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室上、下進(jìn)人孔活門與轉(zhuǎn)輪室關(guān)閉間隙為20～25 mm，正處于轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)徑向中心線上，懷疑其存在水流擾流影響的可能性較大(工程實踐中，這種情況使機(jī)組產(chǎn)生振動和噪聲的情況極少)。在建設(shè)單位和設(shè)備制造廠家同意后，將上、下進(jìn)人孔活門與轉(zhuǎn)輪室間隙用電焊焊接封閉，打磨平滑后再次開機(jī)，機(jī)組振動和噪聲現(xiàn)象消失。

6 結(jié)束語

在工程實踐中，雖然因機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)人孔活門關(guān)閉間隙過大而使機(jī)組產(chǎn)生振動和噪聲的情況極少，但由于該型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室上、下進(jìn)人孔位置正好布置于轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)徑向中心線上，而葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間的縫隙區(qū)域，又恰是水輪機(jī)中水力流態(tài)最為不利的部位之一，客觀上造成)轉(zhuǎn)輪葉片在旋轉(zhuǎn)運行時，因進(jìn)人孔活門關(guān)閉間隙局部存在水力擾流和脈動而形成局部水力壓力脈動和空化空蝕現(xiàn)象，從而引發(fā)水輪機(jī)的振動和噪聲。這是典型的“作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上的水力交變分量引起的壓力脈動”引起的機(jī)組振動和噪聲現(xiàn)象。

建議設(shè)備制造廠家今后在同類型機(jī)組轉(zhuǎn)輪室設(shè)計制造時改進(jìn)設(shè)計，將轉(zhuǎn)輪室檢修進(jìn)人孔位置布置錯開轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)徑向中心一定距離，提高進(jìn)人孔活門的制造裝配精度，減小活門與轉(zhuǎn)輪室過流面錯臺和間隙，或直接取消轉(zhuǎn)輪室檢修進(jìn)人孔，改由其他檢修進(jìn)入方式代替。