某燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室振因研究

馬 彪

（國際小水電中心，浙江 杭州 310002）

0 前言

燈泡貫流式水輪機(jī)因其過流量大、轉(zhuǎn)速高、效率高、高效區(qū)寬、結(jié)構(gòu)緊湊、布置簡單等優(yōu)點(diǎn)成為開發(fā)低水頭水能資源的一種經(jīng)濟(jì)、適宜的水輪機(jī)型式。燈泡貫流式水輪機(jī)的振動(dòng)問題是行業(yè)的其中一個(gè)重點(diǎn)研究方向，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究[1-10]。然而通過理論分析、數(shù)值計(jì)算等方法研究貫流式水輪機(jī)的振動(dòng)問題的較多，針對(duì)已運(yùn)行電站燈泡貫流式水輪機(jī)采用真機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)特性分析、機(jī)理研究較少。本文對(duì)某電站燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行了振動(dòng)研究，分析了轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)特性，揭示轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，并分析產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪室裂紋的原因。

某水電站安裝了4 臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)額定出力為24.67 MW，額定流量為399.7 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為68.18 r/min，最高水頭為10 m，額定水頭為6.8 m，16 個(gè)導(dǎo)葉，轉(zhuǎn)輪直徑為7.2 m，4 個(gè)葉片（轉(zhuǎn)槳式）。轉(zhuǎn)輪室為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，在槳葉上部轉(zhuǎn)角范圍90° 內(nèi)易汽蝕區(qū)域采用不銹鋼板制造，與葉片配合面為球面，喉部直徑為Φ6 908 mm，為了便于安裝，分上、下兩半，用螺栓把合在一起，采用Φ10 圓橡膠條密封。轉(zhuǎn)輪室用螺栓和外導(dǎo)水環(huán)把合在一起，把合法蘭處密封采用Φ16圓橡膠條密封。

1 基本情況

1.1 轉(zhuǎn)輪室裂紋

水電站自運(yùn)行以后，出現(xiàn)過很多的穩(wěn)定性問題，尤以轉(zhuǎn)輪室裂紋問題較為突出。2019 年，電站機(jī)組在運(yùn)行發(fā)電時(shí)，巡回人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，隨后停機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)長度約為36 cm的裂紋，此次產(chǎn)生的新裂紋的位置為上次轉(zhuǎn)輪室裂紋補(bǔ)焊后加裝的加強(qiáng)板周邊。由于裂紋的存在，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，裂紋處有漏水現(xiàn)象。

圖1 燈泡貫流式水電站轉(zhuǎn)輪室裂紋

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)幅值出現(xiàn)了明顯的增大現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪室X 向振動(dòng)值最大達(dá)到了約1 155 μm，轉(zhuǎn)輪室Y 向振動(dòng)值300 μm～400 μm。轉(zhuǎn)輪室X 向的振動(dòng)值已超過嚴(yán)重危險(xiǎn)值的范圍，一直持續(xù)到了4 月23 日才消失，且從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際轉(zhuǎn)輪室漏水量分析和每天對(duì)轉(zhuǎn)輪室裂紋檢查的情況判斷，裂紋還是有緩慢延伸的趨勢(shì)。

圖2 轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1.3 采取措施

電站停機(jī)并采取以下處理：（1）刨開加固搭板，對(duì)發(fā)現(xiàn)的裂紋處進(jìn)行打磨、清除油漆、污垢；（2）用PT 探傷檢查裂紋缺陷情況，并做出明顯標(biāo)記；（3）在本體的裂紋兩端盡頭各鉆Φ8 mm 的止裂孔；（4）氣刨結(jié)合打磨消除裂紋并制作X 型焊接坡口，沒有貫穿處則做V 型焊接坡口，為防止焊接變形，采用先焊接內(nèi)部，再開外部坡口，焊接外部的順序進(jìn)行，具體焊縫采用多層、多道、多段、對(duì)稱、退步全位置焊接。

2 研究內(nèi)容

在特定的試驗(yàn)工況下，運(yùn)用試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)特性進(jìn)行真機(jī)試驗(yàn)研究，分析了轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)特性，包括振幅和第一振動(dòng)主頻等內(nèi)容，分析轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，研究轉(zhuǎn)輪室裂紋的主要誘導(dǎo)因素。

2.1 試驗(yàn)工況

在電站裝置空化系數(shù)及在試驗(yàn)水頭為8 m 的情況下，以4 MW 為增量步進(jìn)來調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，分別調(diào)整機(jī)組出力至以下6 個(gè)工況：4 MW、8 MW、12 MW、16 MW、20 MW、24 MW。在每個(gè)試驗(yàn)工況機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集記錄，記錄完成后再進(jìn)行下一工況的負(fù)荷調(diào)整與振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。

2.2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)

在轉(zhuǎn)輪室上轉(zhuǎn)輪葉片工作平面環(huán)向分別布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖3）。

圖3 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖（下游側(cè)）

2.3 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

（1）機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及跟蹤分析系統(tǒng)平臺(tái)

試驗(yàn)研究是通過機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及跟蹤分析系統(tǒng)平臺(tái)（圖4）進(jìn)行的，系統(tǒng)平臺(tái)包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信號(hào)分析、故障診斷3 個(gè)主要功能模塊以及其他輔助模塊。①狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并報(bào)警，整機(jī)綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)圖監(jiān)視和數(shù)據(jù)圖監(jiān)視，從結(jié)構(gòu)圖中可以看到各個(gè)傳感器的安裝位置，以及各傳感器所監(jiān)測(cè)的部位運(yùn)行是否正常，從數(shù)據(jù)圖中可以得到各傳感器通道所測(cè)數(shù)據(jù)的具體數(shù)值以及各參量的狀態(tài)；②信號(hào)分析模塊是利用一些專門的分析方法對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以掌握影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，通過建立并實(shí)時(shí)更新的數(shù)學(xué)模型，分析導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)的誘因；③故障診斷模塊能自動(dòng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行診斷。運(yùn)用該系統(tǒng)，能完整地掌握機(jī)組運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修、延長機(jī)組大修期限提供決策數(shù)據(jù)和幫助，并為電站設(shè)備的安全、高效運(yùn)行提供了保障。

圖4 機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及跟蹤分析系統(tǒng)平臺(tái)

（2）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)處理過程

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)處理過程如圖5 所示，系統(tǒng)通過振動(dòng)傳感器測(cè)量監(jiān)測(cè)信息，對(duì)信息進(jìn)行采集上傳至數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，在平臺(tái)中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，得到特征數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，然后從數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以研究的振動(dòng)問題為導(dǎo)向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，應(yīng)用快速傅里葉（FFT）算法和振幅值確定轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的振因。

圖5 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)處理過程示意圖

（3）振動(dòng)傳感器

振動(dòng)測(cè)量采用5 個(gè)MLS-9 超低頻速度傳感器進(jìn)行絕對(duì)值測(cè)量,幅值非線性度≤3%，靈敏度8 V/mm，量程±1 mm，頻率響應(yīng)0.5～200 Hz（-3 dB），±12 VDC 電源取自現(xiàn)地屏的電源插箱，由前面板的I/O 供電開關(guān)控制，傳感器采用底座焊接方式安裝，在底座中心孔用1 個(gè)M 8 雙頭螺栓固定，用2 個(gè)M 5 的螺釘固定底座。

2.4 振幅

振幅是通過振動(dòng)波形的雙振幅峰峰值△A（圖6）來判斷。如公式（1）所示，△A為在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣振動(dòng)信號(hào)，獲得的樣本值X[i]，計(jì)算概率分布，在97%置信空間內(nèi)計(jì)算樣本值最大值與最小值之差。振幅計(jì)算公式為：

圖6 振動(dòng)雙振幅△A 示意圖

2.5 振因分析

本試驗(yàn)利用廣泛應(yīng)用的頻譜分析方法對(duì)轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)進(jìn)行研究分析，利用快速傅立葉變換算法公式（2）把復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有限化和離散化的處理，將時(shí)域曲線轉(zhuǎn)化分解為頻域曲線，頻域曲線的幅值和頻率即為頻譜，通過頻譜值，特別是第一主頻值f1，可找到引起振動(dòng)的原因。為了研究方便，此處定義 轉(zhuǎn) 頻X=n/60=68.18/60=1.136（Hz），則mX 代 表m倍的轉(zhuǎn)頻頻率。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

（1）振動(dòng)幅值

由圖7 可得表1 和圖8，對(duì)比分析圖8 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值圖與圖3 的測(cè)點(diǎn)位置可知：①各測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)輪葉片到轉(zhuǎn)輪室的動(dòng)態(tài)間隙不一致，且振動(dòng)值整體上呈現(xiàn)的趨勢(shì)為：上面測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值>中間測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值>下面測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值。②測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3、P4 隨著負(fù)荷的增大，振動(dòng)值呈現(xiàn)先增大后減小,在負(fù)荷為8 MW 時(shí)達(dá)到最大值。測(cè)點(diǎn)P5 隨著負(fù)荷的增大，除在12 MW有稍微的減小之外，整體上呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖7 轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)各工況的時(shí)域及頻域圖

表1 不同功率工況下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值

圖8 各工況振動(dòng)值隨工況的變化情況圖

（2）振動(dòng)主頻

由圖8 可得表2，可知：①測(cè)點(diǎn)P1、P2、P5 的第一主頻值為4X（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻），說明振動(dòng)主要是由轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的水力因素導(dǎo)致的，當(dāng)水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)輪室P1、P2、P5 測(cè)點(diǎn)周圍的區(qū)域在轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)過的時(shí)候，受到由水流的作用而產(chǎn)生低壓的水壓力；當(dāng)葉片轉(zhuǎn)過此區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)輪室的這部分區(qū)域又承受壓力較高的水壓力。這樣隨著機(jī)組轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)輪室受到的水壓力在低壓和高壓之間循環(huán)往復(fù)的變換，產(chǎn)生頻率為葉片數(shù)乘以轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)；②測(cè)點(diǎn)P3、P4 的第一主頻值都為低頻的振動(dòng)，第一主頻值分別為0.63X、0.75X、0.88X,其中0.63X 測(cè)點(diǎn)P3 出現(xiàn)2 次、測(cè)點(diǎn)P4 出現(xiàn)5 次；0.75X 測(cè)點(diǎn)P3 出現(xiàn)2 次、測(cè)點(diǎn)P4 出現(xiàn)1 次；0.63X 測(cè)點(diǎn)P3 出現(xiàn)2 次，說明轉(zhuǎn)輪室P3、P4 測(cè)點(diǎn)周圍的區(qū)域是由水力因素以及葉片到轉(zhuǎn)輪室間隙的不均勻共同導(dǎo)致的。

表2 不同工況下的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的第一主頻

由上述分析可得，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)造成的不穩(wěn)定流動(dòng)以及葉片到轉(zhuǎn)輪室的間隙不一致導(dǎo)致了轉(zhuǎn)輪室的水力振動(dòng)異常，由此誘使轉(zhuǎn)輪室部分區(qū)域疲勞破壞，產(chǎn)生貫穿性裂紋。

4 結(jié)論

選取某電站的6 個(gè)運(yùn)行工況，應(yīng)用真機(jī)試驗(yàn)對(duì)燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行振動(dòng)研究，通過對(duì)研究結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的主要誘因是：①轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)造成的不穩(wěn)定流動(dòng)；②葉片到轉(zhuǎn)輪室間隙的不一致。

（2）轉(zhuǎn)輪葉片到轉(zhuǎn)輪室的動(dòng)態(tài)間隙不一致，同一工況的振動(dòng)值在空間上呈現(xiàn)為上大下小的現(xiàn)象；且隨著負(fù)荷的增加，各測(cè)點(diǎn)整體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

（3）水力因素是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室部分區(qū)域出現(xiàn)貫穿性裂紋的主要原因。