水輪發(fā)電機(jī)組異常聲響成因探討
福建沙縣城關(guān)電站三臺(tái)機(jī)組已于二零零零年六月上旬全部投入商業(yè)運(yùn)。從電站主機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝，經(jīng)運(yùn)行實(shí)踐，總體情況良好，但機(jī)組在某些工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)出的周期性異常聲響，該現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)尚屬罕見(jiàn)，本文特將現(xiàn)象作扼要介紹，并兼作初步探討。
一、水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)
水輪機(jī)：發(fā)電機(jī)
（1）型號(hào)：燈泡貫流式 GZ4BN28A-WP-490 （1）型號(hào)：SFWG16-60/5430
（2）主軸布置形式：臥軸、兩支點(diǎn)雙懸臂（2）額定電流：100 R/MIN
（3）轉(zhuǎn)輪直徑：D1=4.9m （3）額定電壓：6300V
（4）額定水頭： 8.8m （4）額定功率：1600KW
（5）額定出力: 1650KW （5）額定功率因素：0.9
（6）額定流量：206.1m3/S （6）額定轉(zhuǎn)速：100R/MIN
（7）最大飛逸轉(zhuǎn)速:348.7 R/MIN （7）額定頻率：50HZ
（8）最高效力：94.93%
（9）吸出高度：- 6.72m
（10）水輪機(jī)安裝高程：97m
二、機(jī)組的異常聲響
九九年十二月四日一號(hào)機(jī)進(jìn)行首次啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到84轉(zhuǎn)/分時(shí)，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪室發(fā)出輕微的類似金屬的碰撞聲，聲響頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)速同步，隨機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，聲級(jí)隨之增加，轉(zhuǎn)速達(dá)到88~104轉(zhuǎn)/分時(shí)，異常聲響達(dá)到高峰，括擦聲淹蓋水流聲，轉(zhuǎn)速升至108轉(zhuǎn)/分以上，異常聲響又漸漸消失，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)正常狀態(tài)。
根據(jù)聲響癥狀，且與機(jī)組頻率一致的特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)認(rèn)為是結(jié)構(gòu)性的機(jī)械聲響，而且主要部位在轉(zhuǎn)輪室。然之進(jìn)行流道檢查。檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室的油漆有塊狀剝落，呈現(xiàn)金屬光澤面。在漿葉上方的轉(zhuǎn)輪室頂部，120度范圍內(nèi)，有類似磨擦痕跡，緊靠漿葉中心線下游方有一塊較大磨擦區(qū)，其余部分面積較小，轉(zhuǎn)輪室下底部也有較小的擦痕。此外，在漿葉的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域外也有明顯的脫漆現(xiàn)象。
檢查轉(zhuǎn)輪漿葉外緣端面，也發(fā)現(xiàn)個(gè)別漿葉有類似磨擦癥象，判別為漿葉與轉(zhuǎn)輪室邊壁存在間隙磨擦。當(dāng)即對(duì)漿葉出水邊的外緣進(jìn)行局部打磨0.5mm 。機(jī)組再次充水空載啟動(dòng)，但聲響依舊，無(wú)任何變化。轉(zhuǎn)輪室的油漆脫落面基本相同，只是面積大小、以及位置略有變化。
為探明周期性聲響的原因，繼而對(duì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如：漿葉與轉(zhuǎn)輪連接螺絲、轉(zhuǎn)輪與主軸的連接螺絲、主軸密封等，凡可能造成機(jī)械松動(dòng)或相碰磨擦的部位作了全面仔細(xì)的檢查及處理。而且在檢查過(guò)程中，采取了各種保證措施，排除并否定了機(jī)械性磨擦的因素。
機(jī)組繼續(xù)各項(xiàng)啟動(dòng)程序試驗(yàn) ，測(cè)試值均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在做發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁電流加至一定值后，機(jī)組的異常聲響突然消失。機(jī)組并入電網(wǎng)后（未帶負(fù)載），聲響也聚然停止，從感覺(jué)上與正常機(jī)組一樣。機(jī)組有無(wú)聲響時(shí)的擺度、振動(dòng)無(wú)明顯變化，都在正常范圍內(nèi)。但是各監(jiān)視表計(jì)的指針有明顯顫抖現(xiàn)象，顫動(dòng)頻率是否與聲響頻率一致，暫無(wú)法定論，但這與聲響應(yīng)可能有必然的內(nèi)在聯(lián)系。
機(jī)組振動(dòng)、擺度測(cè)量值：
組合軸承振動(dòng)：0.01mm
水導(dǎo)軸承振動(dòng): 0.04mm
水導(dǎo)處大軸擺度: 0.10mm
轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)-----水平: 0.03mm 垂直: 0.04mm
三、機(jī)組聲響的成因探討及現(xiàn)象解釋
1、基本成因探討
通常，水輪機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，除調(diào)速器品質(zhì)之外，與水輪機(jī)的水
力方面因素有關(guān)，主要與葉型有關(guān)。一是葉片的扭角，二是葉柵稠密度。葉片扭角小，葉柵稠密度大的葉型，其空載運(yùn)行穩(wěn)定性要好一些。貫流機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量相對(duì)較少（本機(jī)組是4葉片），葉柵稠密度較小，客觀上其空載運(yùn)行的穩(wěn)定性較差。通俗解釋，也就由于漿葉比較稀疏，對(duì)水流的制約作用小，流經(jīng)漿葉的水流流態(tài)不是完全均衡，隨之產(chǎn)生水力不平衡。
一號(hào)機(jī)組在空載額定轉(zhuǎn)速下，手動(dòng)改變漿葉的旋轉(zhuǎn)角，試圖改變協(xié)聯(lián)工況消除聲響，但沒(méi)有效果。由此可知，“非協(xié)聯(lián)工況”并不是空載時(shí)聲響的主要根源。水輪機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，由于導(dǎo)葉開(kāi)度很小，進(jìn)入水輪機(jī)的水流偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)。從葉型上考慮，由于水力設(shè)計(jì)因素，流經(jīng)漿葉后的水流，形成周期性脈動(dòng)紊流。該脈動(dòng)紊流，既激振轉(zhuǎn)輪漿葉，又掃擊轉(zhuǎn)輪室邊壁，產(chǎn)生機(jī)組的異常聲響。這種連續(xù)的脈動(dòng)紊流通常稱為“渦列”或“渦流”。
（A） 葉型渦列
葉型渦列是水流流經(jīng)葉片時(shí)發(fā)生脫流而引起的渦列，水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行葉片的繞流條件不良。此外，葉片出口邊邊界層從壁面分離，這兩者導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪出口處形成脫流旋渦，旋渦在彈性葉片后面以非對(duì)稱的形式上下交錯(cuò)地被釋放到尾流中，即構(gòu)成渦列，見(jiàn)圖一。但這種渦列與常見(jiàn)的卡門(mén)渦列不完全相同。因?yàn)檗D(zhuǎn)輪漿葉在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際構(gòu)成一組無(wú)限的移動(dòng)
葉柵，轉(zhuǎn)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每一葉片的尾部水流都會(huì)被位于其后的旋轉(zhuǎn)葉片所切斷，亦即單個(gè)葉片的脫流要受到移動(dòng)葉柵的影響。這種連續(xù)切斷尾流的結(jié)果，會(huì)加速脫流的形成速度，增強(qiáng)渦列的強(qiáng)度。
圖一 葉片的脫流和渦列示意圖
隨著渦列的不斷出現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)生垂直于流向的交變側(cè)向力，即不均衡的側(cè)向力，這種交變側(cè)向力作用于彈性葉片尾緣上。(注：對(duì)貫流式轉(zhuǎn)輪的葉片結(jié)構(gòu)形狀，在力特性上，通常可作為一個(gè)彈性體考慮，就本電站機(jī)組的漿葉結(jié)構(gòu)，尤顯單薄，比國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的葉片在厚度上相對(duì)薄得多)。逐漸激起葉片尾部（漿葉出口邊）的振蕩，由于葉片尾部振蕩的反饋?zhàn)饔茫~片附近的水流受到
激發(fā)和擾動(dòng)。這種受到激發(fā)和擾動(dòng)的水流，又會(huì)反作用于葉片上，增加葉上的周期性脈動(dòng)壓力，如此反復(fù)激勵(lì)，使渦列不斷增強(qiáng)，同時(shí)使葉片出口邊產(chǎn)生大幅振蕩。當(dāng)某一葉片旋轉(zhuǎn)到某一位置，由于邊界條件的改變，受到激發(fā)和擾動(dòng)的水流突然釋放積累能量，或葉片振蕩幅度發(fā)生突然變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)生異常聲響。
葉型渦列，本身具有較大的水力能量，渦列中的水流質(zhì)團(tuán)是以高頻的不規(guī)則狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，渦列中的水質(zhì)體是一個(gè)高能質(zhì)團(tuán)，一旦渦列的邊界條件改變，就會(huì)以撞擊的形式釋放固有能量。如遇到轉(zhuǎn)輪室邊壁，亦可能發(fā)出類似金屬撞擊的聲響。
不論何種型式的水輪機(jī)，在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生葉型渦列，但一般情況下，渦列脫離葉片后進(jìn)入尾水管，并匯集成旋轉(zhuǎn)狀渦流帶。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可能不斷掃動(dòng)尾水管邊壁，引起尾水管的壓力脈動(dòng)和振動(dòng),同時(shí)也產(chǎn)生周期性的聲響。但在這一點(diǎn)上，城關(guān)機(jī)組的聲響與之有本質(zhì)的區(qū)別。
尾水管內(nèi)的渦帶引起的振動(dòng)具有以下特點(diǎn)：
A》渦列脫離葉片后匯集成運(yùn)動(dòng)渦帶，并具有一個(gè)正向環(huán)量，也就是有一個(gè)與葉片轉(zhuǎn)向相同的旋轉(zhuǎn)速度量，這個(gè)環(huán)量使渦帶形成螺旋狀流向下游，同時(shí)渦帶在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷掃動(dòng)尾水管邊壁。
B》尾水管內(nèi)渦帶的掃動(dòng)頻率相對(duì)較低，其周期與尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)基本相同。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，水輪機(jī)尾水管的壓力脈動(dòng)頻率：
f S =（n H / 3）~（n H / 5）
城關(guān)電站機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分。由些推算，尾管渦帶的脈動(dòng)頻率的范圍約是33至20次/分，明顯低于轉(zhuǎn)輪室實(shí)際聲響頻率，故可確定異常聲響并非是由于尾水管壓力脈動(dòng)引起。在理論上，城關(guān)電站水輪機(jī)的聲響與通常水輪機(jī)尾水管的壓力脈動(dòng)聲響，都起源于葉型渦列，起源機(jī)理相似，但城關(guān)電站機(jī)組的反映現(xiàn)象、造成結(jié)果方面有質(zhì)的區(qū)別。
本文認(rèn)為漿葉出水邊的渦列作用是機(jī)組的異常聲響的基本根源。這些渦列在尚未進(jìn)入尾水管形成低頻旋轉(zhuǎn)渦帶前，由于漿葉振幅突變、或渦列掃擊轉(zhuǎn)輪室邊壁時(shí)產(chǎn)生異常聲響，由此產(chǎn)生的聲響頻率是與機(jī)組轉(zhuǎn)速相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速為88~104轉(zhuǎn)/分時(shí)，“產(chǎn)生渦列---葉片激振----強(qiáng)化渦列”的相互作激勵(lì)程度最強(qiáng)，聲響噪音最強(qiáng)。
從各種跡象推測(cè)，機(jī)組在額定空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，估計(jì)四個(gè)漿葉中的一個(gè)葉片或二個(gè)葉片所產(chǎn)生的組合渦列為主導(dǎo)作用，否則聲響頻率將是機(jī)組轉(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)系，僅憑聽(tīng)覺(jué)難以區(qū)別。
（B）間隙渦列
根據(jù)實(shí)踐運(yùn)行表明，在葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間的縫隙區(qū)域，其流態(tài)也是水輪機(jī)中最為不利的部位之一。曾對(duì)幾種間隙形狀進(jìn)行了研究。并繪出了軸流式（同貫流式）轉(zhuǎn)輪漿葉端部間隙形狀和壓力分布及流態(tài)曲線，如圖二所示：
圖二 貫流式漿葉端間隙形狀和流態(tài)、壓力分布示意圖
圖中（a）的A型間隙的斷面形狀不佳，在間隙進(jìn)口處，因水流突然收縮，壓力急劇下降，引起進(jìn)口部分的強(qiáng)烈擾動(dòng)及氣蝕破壞。在間隙出口處，因水流突然擴(kuò)散，引起脫流旋渦。而且在旋渦未遠(yuǎn)離之前，直接作用于葉片出口邊壁和轉(zhuǎn)輪室邊壁，引起水力脈動(dòng)和氣蝕破壞。城關(guān)機(jī)組漿葉與轉(zhuǎn)輪室間隙采用A型間隙。
圖中（B）的B型間隙，也會(huì)產(chǎn)生很大的壓力降。因其流道出口為擴(kuò)散形，在出口處也會(huì)產(chǎn)生脫流旋渦引起出口處的水力脈動(dòng)和氣蝕。
圖中（C）的C型間隙形狀有較佳的流態(tài)和間隙壓力分布，因進(jìn)口有較大的半徑的園弧，可以避免水流突然收縮引起的壓力急劇下降，而平直的出口間隙可使可使出口脫流旋渦遠(yuǎn)離葉片邊壁和轉(zhuǎn)輪室邊壁。
2、基本現(xiàn)象分析
為查找聲響原因的過(guò)程中，機(jī)組曾多次啟動(dòng)、多次流道檢查。對(duì)所謂的磨擦區(qū)，即油漆剝落區(qū)的分布進(jìn)行仔細(xì)觀察，雖然每次脫落的具體位置并不完全重復(fù)，而變化不大。在分布上也有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，集中在轉(zhuǎn)輪室的上方，在下部是小面積的星狀分布。而且所有的油漆脫落區(qū)大都在漿葉空載開(kāi)度時(shí)的投影區(qū)平面內(nèi)（稍靠下游側(cè)），而在漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)范圍以外的區(qū)域，也有局部較大的油漆剝落現(xiàn)象。
經(jīng)仔細(xì)觀察，漆膜是成斷裂狀掉落，油漆的邊界明顯，邊界基本上由相互垂直的短直線段組成，且無(wú)被削薄的跡象。此外，對(duì)油漆脫落后的金屬表面仔觀察，發(fā)現(xiàn)金屬呈現(xiàn)新鮮光澤，工廠內(nèi)的機(jī)加工刀痕清淅可辨，無(wú)任何刮擦、劑壓或微小變形現(xiàn)象，周圍漆層表面未發(fā)現(xiàn)有機(jī)械性的撞擊痕跡。脫漆邊界放大示意如圖三所示。
圖三 脫漆邊界放大示意圖
由此判斷，脫漆現(xiàn)象主要是間隙渦列產(chǎn)生的間隙氣蝕作用，其次是葉型渦列撞擊轉(zhuǎn)輪室時(shí)將漆膜擊落。從圖二（A）中看出，水流經(jīng)漿葉間隙，在間隙后部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，但漿葉是在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)漿葉未掃過(guò)時(shí)的壓力又是較高的正壓，這樣使漆膜受到交變壓力的作用，致使漆膜與金屬表面脫開(kāi)。尤其是在負(fù)壓的作用下將漆層拉斷吸落。另外由于葉型外緣的渦列作用，不斷掃擊轉(zhuǎn)輪室邊壁，也加速漆膜的脫落。由于漆膜的脆性，及機(jī)械加工刀痕的影響，所以脫漆邊界大都是與刀痕方向平行或垂直。
由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較短，因此只是暴露出金屬表面，間隙氣蝕的破壞后果尚未顯露。至于只發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室上部的原因，在產(chǎn)生間隙渦列的同時(shí)也產(chǎn)生間隙氣蝕，由于臥式燈泡貫流機(jī)組，因直徑較大，轉(zhuǎn)輪上部與下部的淹沒(méi)深度差別顯著，轉(zhuǎn)輪室上部的氣蝕性能較下部差得多，因此上部的間隙氣蝕破壞為烈。
3、在漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁脫漆現(xiàn)象
圖四 轉(zhuǎn)輪室球形狀示意圖
在機(jī)組的檢查過(guò)程中，漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁有星狀的掉漆現(xiàn)象。主要應(yīng)從貫流機(jī)組結(jié)構(gòu)，尤其是轉(zhuǎn)輪室形狀進(jìn)行分析。主要是轉(zhuǎn)輪室與漿葉的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)為球形狀，漿葉與轉(zhuǎn)輪室間隙產(chǎn)生渦列，隨水流后移，部份渦列直接撞到轉(zhuǎn)輪室的后部，從而產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。漿葉出水邊外緣產(chǎn)生的渦列出于同樣原因，也會(huì)造成漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。
4、氣蝕聲響與異常聲響的關(guān)系
氣蝕在形成的機(jī)理上是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)現(xiàn)象，同時(shí)與水的汽化壓力和水中空氣含量、水的表面張力等因素有關(guān)。嚴(yán)重的氣蝕會(huì)破壞水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和尾水管等過(guò)流部件，并在尾水管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的周期性噪聲和振動(dòng)，使水輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。
但從城關(guān)電站機(jī)組異常聲響的特征判別，并不是由于氣蝕所產(chǎn)生，而是不平衡脫流渦列所造成，氣蝕與異常聲響之間不存在直接的因果關(guān)系，氣蝕所造成的破壞是微觀量的破壞，氣泡破裂撞擊金屬表面是隨機(jī)性的，因此所產(chǎn)生的聲響也是無(wú)規(guī)則的。
四、異常聲響與發(fā)電機(jī)電磁埸的關(guān)系
一號(hào)機(jī)在啟動(dòng)程序試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)電機(jī)做短路試驗(yàn)，勵(lì)磁電流達(dá)到一定值時(shí)、或機(jī)組并網(wǎng)后，異常聲響聚然消失。這說(shuō)明電磁埸對(duì)機(jī)組的異常聲響有著直接的關(guān)系。
水輪發(fā)電機(jī)組根據(jù)物理性能可分為四個(gè)系統(tǒng)：
1，水流系統(tǒng) 2，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（彈性振動(dòng)系統(tǒng)） 3，機(jī)械固定系統(tǒng) 4，電磁系統(tǒng)
機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，包括轉(zhuǎn)子、主軸、轉(zhuǎn)輪、漿葉等。由于其相對(duì)剛度較低，在實(shí)際上是一個(gè)彈性振動(dòng)系統(tǒng)。
由于水流所激發(fā)的機(jī)組的各種機(jī)械性振動(dòng)（或異常聲響），其特點(diǎn)是振動(dòng)體的一部分或全部位于流體中，因而它不是一個(gè)孤立的機(jī)械系統(tǒng)。也就是說(shuō)，在產(chǎn)生振動(dòng)過(guò)程中，流體與振動(dòng)體以及電磁埸之間存在相互作用，相互影響。因此，只有將（水體—彈性振動(dòng)系統(tǒng)—電磁）三者作為關(guān)連系統(tǒng)來(lái)研究，才能反映問(wèn)題的本質(zhì)，才能解釋機(jī)組加上勵(lì)磁電流后異常聲響消失的原因。
在理論上以及實(shí)際運(yùn)行中，以下情況可造成電氣方面的機(jī)組振動(dòng)：
1）周期性磁拉力分量；
2)轉(zhuǎn)子與定子之間有不均勻的氣隙引起的作用力；
3) 轉(zhuǎn)子短路時(shí)引起的作用力；
4) 發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力；
但對(duì)于城關(guān)電站機(jī)組而言，電氣方面的因素并非造成機(jī)組的振動(dòng)，而是以上第1）及2）條因素，對(duì)水輪機(jī)彈性系統(tǒng)和水流系統(tǒng)的振動(dòng)頻率產(chǎn)生干擾作用。改變了在84~108轉(zhuǎn)速下，漿葉的激振頻率，從而改變了異常聲響的形成條件。
圖五 水流埸、機(jī)組、電磁埸作用方框圖
水流埸、機(jī)組、電磁埸三者相互影響的關(guān)系如方框圖所示：
u -水流流速； pw -流體動(dòng)壓力； pm -電磁拉力； e -干擾特性與響應(yīng)
五、異常聲響主導(dǎo)因素小結(jié)
通過(guò)以上分析，城關(guān)電站機(jī)組的異常聲響的主導(dǎo)成因可歸納為：
1）由于水輪機(jī)的導(dǎo)葉和漿葉處于小開(kāi)度時(shí)，水輪機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，漿葉出口處產(chǎn)生葉型渦列，渦列與彈性漿葉相互激勵(lì)，并使?jié){葉達(dá)到較大的振幅值，一旦邊界條件改變或外部因素的干擾，導(dǎo)致振幅突變，從而發(fā)出聲響。
2）由于的轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙不均勻，當(dāng)轉(zhuǎn)子通入勵(lì)磁電流后，引起周期性磁拉力分量。這個(gè)分量通過(guò)主軸、轉(zhuǎn)輪等彈性體系，最終傳至漿葉上，從而改變漿葉的激振頻率，致使異常聲響的消失。
3）異常聲響是一個(gè)多因素的、復(fù)雜的、綜合成因，除上之外還有其它各種制約條件。
六、改進(jìn)措施建議
根據(jù)以上的聲響起因分析，其形成有“必要和充分條件”，如要改變聲響的必要條件，也就是要消除脫流渦列，目前是不可能而且也不現(xiàn)實(shí)，但如改變聲響充分條件，也就是改變彈性系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，即可消除或避開(kāi)聲響。任何聲音都是由物體振動(dòng)所形成，而且有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率。機(jī)組的異常聲響，也是振動(dòng)引起，由水流彈性系統(tǒng)和機(jī)械彈性系統(tǒng)組成比較復(fù)雜的多因素的振動(dòng)系統(tǒng)，它也有固有振動(dòng)頻率。本文設(shè)想改變漿葉的激振頻率，也就是通過(guò)改變機(jī)械彈性系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，同時(shí)改變水流彈性系統(tǒng)對(duì)漿葉的激振影響。
由于水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)制造已定型，難以改變水力設(shè)計(jì)，也難以改變結(jié)構(gòu)來(lái)消除聲響。但根據(jù)水力機(jī)械的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如對(duì)水流摻入適當(dāng)?shù)目諝猓筛纳茲{葉尾部渦列的強(qiáng)度以及對(duì)漿葉的激勵(lì)振動(dòng)；在水中滲進(jìn)了空氣增加了水的彈性，會(huì)改變水輪機(jī)漿葉的激振頻率。鑒于城關(guān)電站機(jī)組聲響的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，建議利用已有的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室漿葉前的測(cè)壓管接入高壓壓縮空氣（8KG/cm2），這種方法不涉及結(jié)構(gòu)問(wèn)題，也不危及運(yùn)行安全。
鑒于已有四個(gè)測(cè)壓孔的直徑較小，補(bǔ)氣量可能有限，但本試驗(yàn)只是為改變產(chǎn)生聲響的激振頻率，因此需用氣量并不會(huì)太大。這里需指出，在功能上與尾水管的真空破壞閥的補(bǔ)氣作用不同，并不是要破壞尾水管的真空，二者所需的氣量不可同語(yǔ)而言，本試驗(yàn)的補(bǔ)氣必須在漿葉的的前部，而不是在漿葉之后的水流中。從機(jī)組并網(wǎng)空載運(yùn)行時(shí)聲響自行消失的現(xiàn)象可看出，空載時(shí)電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的不平衡磁拉力力也并不大（并網(wǎng)前后的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)和擺度都無(wú)明顯變化），由此可認(rèn)為盡管測(cè)壓孔的孔徑較小，對(duì)試驗(yàn)還是能滿足一定的要求，至少能有改善的趨勢(shì)。
采用上述試驗(yàn)后，取得了較好效果，經(jīng)進(jìn)一步采取改良措施，已解決異常聲響題。
一、水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)
水輪機(jī)：發(fā)電機(jī)
（1）型號(hào)：燈泡貫流式 GZ4BN28A-WP-490 （1）型號(hào)：SFWG16-60/5430
（2）主軸布置形式：臥軸、兩支點(diǎn)雙懸臂（2）額定電流：100 R/MIN
（3）轉(zhuǎn)輪直徑：D1=4.9m （3）額定電壓：6300V
（4）額定水頭： 8.8m （4）額定功率：1600KW
（5）額定出力: 1650KW （5）額定功率因素：0.9
（6）額定流量：206.1m3/S （6）額定轉(zhuǎn)速：100R/MIN
（7）最大飛逸轉(zhuǎn)速:348.7 R/MIN （7）額定頻率：50HZ
（8）最高效力：94.93%
（9）吸出高度：- 6.72m
（10）水輪機(jī)安裝高程：97m
二、機(jī)組的異常聲響
九九年十二月四日一號(hào)機(jī)進(jìn)行首次啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到84轉(zhuǎn)/分時(shí)，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪室發(fā)出輕微的類似金屬的碰撞聲，聲響頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)速同步，隨機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，聲級(jí)隨之增加，轉(zhuǎn)速達(dá)到88~104轉(zhuǎn)/分時(shí)，異常聲響達(dá)到高峰，括擦聲淹蓋水流聲，轉(zhuǎn)速升至108轉(zhuǎn)/分以上，異常聲響又漸漸消失，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)正常狀態(tài)。
根據(jù)聲響癥狀，且與機(jī)組頻率一致的特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)認(rèn)為是結(jié)構(gòu)性的機(jī)械聲響，而且主要部位在轉(zhuǎn)輪室。然之進(jìn)行流道檢查。檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室的油漆有塊狀剝落，呈現(xiàn)金屬光澤面。在漿葉上方的轉(zhuǎn)輪室頂部，120度范圍內(nèi)，有類似磨擦痕跡，緊靠漿葉中心線下游方有一塊較大磨擦區(qū)，其余部分面積較小，轉(zhuǎn)輪室下底部也有較小的擦痕。此外，在漿葉的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域外也有明顯的脫漆現(xiàn)象。
檢查轉(zhuǎn)輪漿葉外緣端面，也發(fā)現(xiàn)個(gè)別漿葉有類似磨擦癥象，判別為漿葉與轉(zhuǎn)輪室邊壁存在間隙磨擦。當(dāng)即對(duì)漿葉出水邊的外緣進(jìn)行局部打磨0.5mm 。機(jī)組再次充水空載啟動(dòng)，但聲響依舊，無(wú)任何變化。轉(zhuǎn)輪室的油漆脫落面基本相同，只是面積大小、以及位置略有變化。
為探明周期性聲響的原因，繼而對(duì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如：漿葉與轉(zhuǎn)輪連接螺絲、轉(zhuǎn)輪與主軸的連接螺絲、主軸密封等，凡可能造成機(jī)械松動(dòng)或相碰磨擦的部位作了全面仔細(xì)的檢查及處理。而且在檢查過(guò)程中，采取了各種保證措施，排除并否定了機(jī)械性磨擦的因素。
機(jī)組繼續(xù)各項(xiàng)啟動(dòng)程序試驗(yàn) ，測(cè)試值均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在做發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁電流加至一定值后，機(jī)組的異常聲響突然消失。機(jī)組并入電網(wǎng)后（未帶負(fù)載），聲響也聚然停止，從感覺(jué)上與正常機(jī)組一樣。機(jī)組有無(wú)聲響時(shí)的擺度、振動(dòng)無(wú)明顯變化，都在正常范圍內(nèi)。但是各監(jiān)視表計(jì)的指針有明顯顫抖現(xiàn)象，顫動(dòng)頻率是否與聲響頻率一致，暫無(wú)法定論，但這與聲響應(yīng)可能有必然的內(nèi)在聯(lián)系。
機(jī)組振動(dòng)、擺度測(cè)量值：
組合軸承振動(dòng)：0.01mm
水導(dǎo)軸承振動(dòng): 0.04mm
水導(dǎo)處大軸擺度: 0.10mm
轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)-----水平: 0.03mm 垂直: 0.04mm
三、機(jī)組聲響的成因探討及現(xiàn)象解釋
1、基本成因探討
通常，水輪機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，除調(diào)速器品質(zhì)之外，與水輪機(jī)的水
力方面因素有關(guān)，主要與葉型有關(guān)。一是葉片的扭角，二是葉柵稠密度。葉片扭角小，葉柵稠密度大的葉型，其空載運(yùn)行穩(wěn)定性要好一些。貫流機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量相對(duì)較少（本機(jī)組是4葉片），葉柵稠密度較小，客觀上其空載運(yùn)行的穩(wěn)定性較差。通俗解釋，也就由于漿葉比較稀疏，對(duì)水流的制約作用小，流經(jīng)漿葉的水流流態(tài)不是完全均衡，隨之產(chǎn)生水力不平衡。
一號(hào)機(jī)組在空載額定轉(zhuǎn)速下，手動(dòng)改變漿葉的旋轉(zhuǎn)角，試圖改變協(xié)聯(lián)工況消除聲響，但沒(méi)有效果。由此可知，“非協(xié)聯(lián)工況”并不是空載時(shí)聲響的主要根源。水輪機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，由于導(dǎo)葉開(kāi)度很小，進(jìn)入水輪機(jī)的水流偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)。從葉型上考慮，由于水力設(shè)計(jì)因素，流經(jīng)漿葉后的水流，形成周期性脈動(dòng)紊流。該脈動(dòng)紊流，既激振轉(zhuǎn)輪漿葉，又掃擊轉(zhuǎn)輪室邊壁，產(chǎn)生機(jī)組的異常聲響。這種連續(xù)的脈動(dòng)紊流通常稱為“渦列”或“渦流”。
（A） 葉型渦列
葉型渦列是水流流經(jīng)葉片時(shí)發(fā)生脫流而引起的渦列，水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行葉片的繞流條件不良。此外，葉片出口邊邊界層從壁面分離，這兩者導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪出口處形成脫流旋渦，旋渦在彈性葉片后面以非對(duì)稱的形式上下交錯(cuò)地被釋放到尾流中，即構(gòu)成渦列，見(jiàn)圖一。但這種渦列與常見(jiàn)的卡門(mén)渦列不完全相同。因?yàn)檗D(zhuǎn)輪漿葉在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際構(gòu)成一組無(wú)限的移動(dòng)
葉柵，轉(zhuǎn)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每一葉片的尾部水流都會(huì)被位于其后的旋轉(zhuǎn)葉片所切斷，亦即單個(gè)葉片的脫流要受到移動(dòng)葉柵的影響。這種連續(xù)切斷尾流的結(jié)果，會(huì)加速脫流的形成速度，增強(qiáng)渦列的強(qiáng)度。
圖一 葉片的脫流和渦列示意圖
隨著渦列的不斷出現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)生垂直于流向的交變側(cè)向力，即不均衡的側(cè)向力，這種交變側(cè)向力作用于彈性葉片尾緣上。(注：對(duì)貫流式轉(zhuǎn)輪的葉片結(jié)構(gòu)形狀，在力特性上，通常可作為一個(gè)彈性體考慮，就本電站機(jī)組的漿葉結(jié)構(gòu)，尤顯單薄，比國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的葉片在厚度上相對(duì)薄得多)。逐漸激起葉片尾部（漿葉出口邊）的振蕩，由于葉片尾部振蕩的反饋?zhàn)饔茫~片附近的水流受到
激發(fā)和擾動(dòng)。這種受到激發(fā)和擾動(dòng)的水流，又會(huì)反作用于葉片上，增加葉上的周期性脈動(dòng)壓力，如此反復(fù)激勵(lì)，使渦列不斷增強(qiáng)，同時(shí)使葉片出口邊產(chǎn)生大幅振蕩。當(dāng)某一葉片旋轉(zhuǎn)到某一位置，由于邊界條件的改變，受到激發(fā)和擾動(dòng)的水流突然釋放積累能量，或葉片振蕩幅度發(fā)生突然變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)生異常聲響。
葉型渦列，本身具有較大的水力能量，渦列中的水流質(zhì)團(tuán)是以高頻的不規(guī)則狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，渦列中的水質(zhì)體是一個(gè)高能質(zhì)團(tuán)，一旦渦列的邊界條件改變，就會(huì)以撞擊的形式釋放固有能量。如遇到轉(zhuǎn)輪室邊壁，亦可能發(fā)出類似金屬撞擊的聲響。
不論何種型式的水輪機(jī)，在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生葉型渦列，但一般情況下，渦列脫離葉片后進(jìn)入尾水管，并匯集成旋轉(zhuǎn)狀渦流帶。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可能不斷掃動(dòng)尾水管邊壁，引起尾水管的壓力脈動(dòng)和振動(dòng),同時(shí)也產(chǎn)生周期性的聲響。但在這一點(diǎn)上，城關(guān)機(jī)組的聲響與之有本質(zhì)的區(qū)別。
尾水管內(nèi)的渦帶引起的振動(dòng)具有以下特點(diǎn)：
A》渦列脫離葉片后匯集成運(yùn)動(dòng)渦帶，并具有一個(gè)正向環(huán)量，也就是有一個(gè)與葉片轉(zhuǎn)向相同的旋轉(zhuǎn)速度量，這個(gè)環(huán)量使渦帶形成螺旋狀流向下游，同時(shí)渦帶在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷掃動(dòng)尾水管邊壁。
B》尾水管內(nèi)渦帶的掃動(dòng)頻率相對(duì)較低，其周期與尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)基本相同。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，水輪機(jī)尾水管的壓力脈動(dòng)頻率：
f S =（n H / 3）~（n H / 5）
城關(guān)電站機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分。由些推算，尾管渦帶的脈動(dòng)頻率的范圍約是33至20次/分，明顯低于轉(zhuǎn)輪室實(shí)際聲響頻率，故可確定異常聲響并非是由于尾水管壓力脈動(dòng)引起。在理論上，城關(guān)電站水輪機(jī)的聲響與通常水輪機(jī)尾水管的壓力脈動(dòng)聲響，都起源于葉型渦列，起源機(jī)理相似，但城關(guān)電站機(jī)組的反映現(xiàn)象、造成結(jié)果方面有質(zhì)的區(qū)別。
本文認(rèn)為漿葉出水邊的渦列作用是機(jī)組的異常聲響的基本根源。這些渦列在尚未進(jìn)入尾水管形成低頻旋轉(zhuǎn)渦帶前，由于漿葉振幅突變、或渦列掃擊轉(zhuǎn)輪室邊壁時(shí)產(chǎn)生異常聲響，由此產(chǎn)生的聲響頻率是與機(jī)組轉(zhuǎn)速相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速為88~104轉(zhuǎn)/分時(shí)，“產(chǎn)生渦列---葉片激振----強(qiáng)化渦列”的相互作激勵(lì)程度最強(qiáng)，聲響噪音最強(qiáng)。
從各種跡象推測(cè)，機(jī)組在額定空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，估計(jì)四個(gè)漿葉中的一個(gè)葉片或二個(gè)葉片所產(chǎn)生的組合渦列為主導(dǎo)作用，否則聲響頻率將是機(jī)組轉(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)系，僅憑聽(tīng)覺(jué)難以區(qū)別。
（B）間隙渦列
根據(jù)實(shí)踐運(yùn)行表明，在葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間的縫隙區(qū)域，其流態(tài)也是水輪機(jī)中最為不利的部位之一。曾對(duì)幾種間隙形狀進(jìn)行了研究。并繪出了軸流式（同貫流式）轉(zhuǎn)輪漿葉端部間隙形狀和壓力分布及流態(tài)曲線，如圖二所示：
圖二 貫流式漿葉端間隙形狀和流態(tài)、壓力分布示意圖
圖中（a）的A型間隙的斷面形狀不佳，在間隙進(jìn)口處，因水流突然收縮，壓力急劇下降，引起進(jìn)口部分的強(qiáng)烈擾動(dòng)及氣蝕破壞。在間隙出口處，因水流突然擴(kuò)散，引起脫流旋渦。而且在旋渦未遠(yuǎn)離之前，直接作用于葉片出口邊壁和轉(zhuǎn)輪室邊壁，引起水力脈動(dòng)和氣蝕破壞。城關(guān)機(jī)組漿葉與轉(zhuǎn)輪室間隙采用A型間隙。
圖中（B）的B型間隙，也會(huì)產(chǎn)生很大的壓力降。因其流道出口為擴(kuò)散形，在出口處也會(huì)產(chǎn)生脫流旋渦引起出口處的水力脈動(dòng)和氣蝕。
圖中（C）的C型間隙形狀有較佳的流態(tài)和間隙壓力分布，因進(jìn)口有較大的半徑的園弧，可以避免水流突然收縮引起的壓力急劇下降，而平直的出口間隙可使可使出口脫流旋渦遠(yuǎn)離葉片邊壁和轉(zhuǎn)輪室邊壁。
2、基本現(xiàn)象分析
為查找聲響原因的過(guò)程中，機(jī)組曾多次啟動(dòng)、多次流道檢查。對(duì)所謂的磨擦區(qū)，即油漆剝落區(qū)的分布進(jìn)行仔細(xì)觀察，雖然每次脫落的具體位置并不完全重復(fù)，而變化不大。在分布上也有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，集中在轉(zhuǎn)輪室的上方，在下部是小面積的星狀分布。而且所有的油漆脫落區(qū)大都在漿葉空載開(kāi)度時(shí)的投影區(qū)平面內(nèi)（稍靠下游側(cè)），而在漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)范圍以外的區(qū)域，也有局部較大的油漆剝落現(xiàn)象。
經(jīng)仔細(xì)觀察，漆膜是成斷裂狀掉落，油漆的邊界明顯，邊界基本上由相互垂直的短直線段組成，且無(wú)被削薄的跡象。此外，對(duì)油漆脫落后的金屬表面仔觀察，發(fā)現(xiàn)金屬呈現(xiàn)新鮮光澤，工廠內(nèi)的機(jī)加工刀痕清淅可辨，無(wú)任何刮擦、劑壓或微小變形現(xiàn)象，周圍漆層表面未發(fā)現(xiàn)有機(jī)械性的撞擊痕跡。脫漆邊界放大示意如圖三所示。
圖三 脫漆邊界放大示意圖
由此判斷，脫漆現(xiàn)象主要是間隙渦列產(chǎn)生的間隙氣蝕作用，其次是葉型渦列撞擊轉(zhuǎn)輪室時(shí)將漆膜擊落。從圖二（A）中看出，水流經(jīng)漿葉間隙，在間隙后部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，但漿葉是在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)漿葉未掃過(guò)時(shí)的壓力又是較高的正壓，這樣使漆膜受到交變壓力的作用，致使漆膜與金屬表面脫開(kāi)。尤其是在負(fù)壓的作用下將漆層拉斷吸落。另外由于葉型外緣的渦列作用，不斷掃擊轉(zhuǎn)輪室邊壁，也加速漆膜的脫落。由于漆膜的脆性，及機(jī)械加工刀痕的影響，所以脫漆邊界大都是與刀痕方向平行或垂直。
由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較短，因此只是暴露出金屬表面，間隙氣蝕的破壞后果尚未顯露。至于只發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室上部的原因，在產(chǎn)生間隙渦列的同時(shí)也產(chǎn)生間隙氣蝕，由于臥式燈泡貫流機(jī)組，因直徑較大，轉(zhuǎn)輪上部與下部的淹沒(méi)深度差別顯著，轉(zhuǎn)輪室上部的氣蝕性能較下部差得多，因此上部的間隙氣蝕破壞為烈。
3、在漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁脫漆現(xiàn)象
圖四 轉(zhuǎn)輪室球形狀示意圖
在機(jī)組的檢查過(guò)程中，漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁有星狀的掉漆現(xiàn)象。主要應(yīng)從貫流機(jī)組結(jié)構(gòu)，尤其是轉(zhuǎn)輪室形狀進(jìn)行分析。主要是轉(zhuǎn)輪室與漿葉的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)為球形狀，漿葉與轉(zhuǎn)輪室間隙產(chǎn)生渦列，隨水流后移，部份渦列直接撞到轉(zhuǎn)輪室的后部，從而產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。漿葉出水邊外緣產(chǎn)生的渦列出于同樣原因，也會(huì)造成漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。
4、氣蝕聲響與異常聲響的關(guān)系
氣蝕在形成的機(jī)理上是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)現(xiàn)象，同時(shí)與水的汽化壓力和水中空氣含量、水的表面張力等因素有關(guān)。嚴(yán)重的氣蝕會(huì)破壞水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和尾水管等過(guò)流部件，并在尾水管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的周期性噪聲和振動(dòng)，使水輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。
但從城關(guān)電站機(jī)組異常聲響的特征判別，并不是由于氣蝕所產(chǎn)生，而是不平衡脫流渦列所造成，氣蝕與異常聲響之間不存在直接的因果關(guān)系，氣蝕所造成的破壞是微觀量的破壞，氣泡破裂撞擊金屬表面是隨機(jī)性的，因此所產(chǎn)生的聲響也是無(wú)規(guī)則的。
四、異常聲響與發(fā)電機(jī)電磁埸的關(guān)系
一號(hào)機(jī)在啟動(dòng)程序試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)電機(jī)做短路試驗(yàn)，勵(lì)磁電流達(dá)到一定值時(shí)、或機(jī)組并網(wǎng)后，異常聲響聚然消失。這說(shuō)明電磁埸對(duì)機(jī)組的異常聲響有著直接的關(guān)系。
水輪發(fā)電機(jī)組根據(jù)物理性能可分為四個(gè)系統(tǒng)：
1，水流系統(tǒng) 2，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（彈性振動(dòng)系統(tǒng)） 3，機(jī)械固定系統(tǒng) 4，電磁系統(tǒng)
機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，包括轉(zhuǎn)子、主軸、轉(zhuǎn)輪、漿葉等。由于其相對(duì)剛度較低，在實(shí)際上是一個(gè)彈性振動(dòng)系統(tǒng)。
由于水流所激發(fā)的機(jī)組的各種機(jī)械性振動(dòng)（或異常聲響），其特點(diǎn)是振動(dòng)體的一部分或全部位于流體中，因而它不是一個(gè)孤立的機(jī)械系統(tǒng)。也就是說(shuō)，在產(chǎn)生振動(dòng)過(guò)程中，流體與振動(dòng)體以及電磁埸之間存在相互作用，相互影響。因此，只有將（水體—彈性振動(dòng)系統(tǒng)—電磁）三者作為關(guān)連系統(tǒng)來(lái)研究，才能反映問(wèn)題的本質(zhì)，才能解釋機(jī)組加上勵(lì)磁電流后異常聲響消失的原因。
在理論上以及實(shí)際運(yùn)行中，以下情況可造成電氣方面的機(jī)組振動(dòng)：
1）周期性磁拉力分量；
2)轉(zhuǎn)子與定子之間有不均勻的氣隙引起的作用力；
3) 轉(zhuǎn)子短路時(shí)引起的作用力；
4) 發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力；
但對(duì)于城關(guān)電站機(jī)組而言，電氣方面的因素并非造成機(jī)組的振動(dòng)，而是以上第1）及2）條因素，對(duì)水輪機(jī)彈性系統(tǒng)和水流系統(tǒng)的振動(dòng)頻率產(chǎn)生干擾作用。改變了在84~108轉(zhuǎn)速下，漿葉的激振頻率，從而改變了異常聲響的形成條件。
圖五 水流埸、機(jī)組、電磁埸作用方框圖
水流埸、機(jī)組、電磁埸三者相互影響的關(guān)系如方框圖所示：
u -水流流速； pw -流體動(dòng)壓力； pm -電磁拉力； e -干擾特性與響應(yīng)
五、異常聲響主導(dǎo)因素小結(jié)
通過(guò)以上分析，城關(guān)電站機(jī)組的異常聲響的主導(dǎo)成因可歸納為：
1）由于水輪機(jī)的導(dǎo)葉和漿葉處于小開(kāi)度時(shí)，水輪機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，漿葉出口處產(chǎn)生葉型渦列，渦列與彈性漿葉相互激勵(lì)，并使?jié){葉達(dá)到較大的振幅值，一旦邊界條件改變或外部因素的干擾，導(dǎo)致振幅突變，從而發(fā)出聲響。
2）由于的轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙不均勻，當(dāng)轉(zhuǎn)子通入勵(lì)磁電流后，引起周期性磁拉力分量。這個(gè)分量通過(guò)主軸、轉(zhuǎn)輪等彈性體系，最終傳至漿葉上，從而改變漿葉的激振頻率，致使異常聲響的消失。
3）異常聲響是一個(gè)多因素的、復(fù)雜的、綜合成因，除上之外還有其它各種制約條件。
六、改進(jìn)措施建議
根據(jù)以上的聲響起因分析，其形成有“必要和充分條件”，如要改變聲響的必要條件，也就是要消除脫流渦列，目前是不可能而且也不現(xiàn)實(shí)，但如改變聲響充分條件，也就是改變彈性系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，即可消除或避開(kāi)聲響。任何聲音都是由物體振動(dòng)所形成，而且有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率。機(jī)組的異常聲響，也是振動(dòng)引起，由水流彈性系統(tǒng)和機(jī)械彈性系統(tǒng)組成比較復(fù)雜的多因素的振動(dòng)系統(tǒng)，它也有固有振動(dòng)頻率。本文設(shè)想改變漿葉的激振頻率，也就是通過(guò)改變機(jī)械彈性系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，同時(shí)改變水流彈性系統(tǒng)對(duì)漿葉的激振影響。
由于水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)制造已定型，難以改變水力設(shè)計(jì)，也難以改變結(jié)構(gòu)來(lái)消除聲響。但根據(jù)水力機(jī)械的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如對(duì)水流摻入適當(dāng)?shù)目諝猓筛纳茲{葉尾部渦列的強(qiáng)度以及對(duì)漿葉的激勵(lì)振動(dòng)；在水中滲進(jìn)了空氣增加了水的彈性，會(huì)改變水輪機(jī)漿葉的激振頻率。鑒于城關(guān)電站機(jī)組聲響的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，建議利用已有的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室漿葉前的測(cè)壓管接入高壓壓縮空氣（8KG/cm2），這種方法不涉及結(jié)構(gòu)問(wèn)題，也不危及運(yùn)行安全。
鑒于已有四個(gè)測(cè)壓孔的直徑較小，補(bǔ)氣量可能有限，但本試驗(yàn)只是為改變產(chǎn)生聲響的激振頻率，因此需用氣量并不會(huì)太大。這里需指出，在功能上與尾水管的真空破壞閥的補(bǔ)氣作用不同，并不是要破壞尾水管的真空，二者所需的氣量不可同語(yǔ)而言，本試驗(yàn)的補(bǔ)氣必須在漿葉的的前部，而不是在漿葉之后的水流中。從機(jī)組并網(wǎng)空載運(yùn)行時(shí)聲響自行消失的現(xiàn)象可看出，空載時(shí)電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的不平衡磁拉力力也并不大（并網(wǎng)前后的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)和擺度都無(wú)明顯變化），由此可認(rèn)為盡管測(cè)壓孔的孔徑較小，對(duì)試驗(yàn)還是能滿足一定的要求，至少能有改善的趨勢(shì)。
采用上述試驗(yàn)后，取得了較好效果，經(jīng)進(jìn)一步采取改良措施，已解決異常聲響題。
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務(wù)咨詢