水轮发电机组异常声响成因探讨

水轮发电机组异常声响成因探讨水轮发电机组异常声响成因探讨 1 水轮发电机组主要参数 水轮发电机组主要参数 水轮机 发电机 1 型号 灯泡贯流式 gz4bn28a wp 490 1 型号 sfwg16 60 5430 2 主轴布置形式 卧轴 两支点双悬臂 2 额定电流 100r min 3 转轮直径 d1 4 9m 3 额定电压 6300v 4 额定水头 8 8m 4 额定功率 1600kw 5 额定出力 1650kw 5 额定功率因素 0 9 6 额定流量 206 1m3 s 6 额定转速 100r min 7 最大飞逸转速 348 7r min 7 额定频率 50hz 8 最高效力 94 93 9 吸出高度 6 72m 10 水轮机安装高程 97m 二 机组的异常声响二 机组的异常声响 九九年十二月四日一号机进行首次启动 当转速达到 84 转 分时 发现在转轮室发出轻微的类似金属的碰撞声 声响频率与机 组转速同步 随机组转速上升 声级随之增加 转速达到 88 104 转 分时 异常声响达到高峰 括擦声淹盖水流声 转速升至 108 转 分 以上 异常声响又渐渐消失 机组转动呈现正常状态 根据声响症状 且与机组频率一致的特点 当时认为是结构性 的机械声响 而且主要部位在转轮室 然之进行流道检查 检查发 现转轮室的油漆有块状剥落 呈现金属光泽面 在浆叶上方的转轮 室顶部 120 度范围内 有类似磨擦痕迹 紧靠浆叶中心线下游方有 一块较大磨擦区 其余部分面积较小 转轮室下底部也有较小的擦 痕 此外 在浆叶的转动区域外也有明显的脱漆现象 检查转轮浆叶外缘端面 也发现个别浆叶有类似磨擦症象 判 别为浆叶与转轮室边壁存在间隙磨擦 当即对浆叶出水边的外缘 进行局部打磨 0 5mm 机组再次充水空载启动 但声响依旧 无任 何变化 转轮室的油漆脱落面基本相同 只是面积大小 以及位置 略有变化 为探明周期性声响的原因 继而对水轮机的转动部件 如 浆 叶与转轮连接螺丝 转轮与主轴的连接螺丝 主轴密封等 凡可 能造成机械松动或相碰磨擦的部位作了全面仔细的检查及处理 而且在检查过程中 采取了各种保证措施 排除并否定了机械性磨 擦的因素 机组继续各项启动程序试验 测试值均符合标准规定 在做发 电机短路试验时 励磁电流加至一定值后 机组的异常声响突然消 失 机组并入电网后 未带负载 声响也聚然停止 从感觉上与正常 机组一样 机组有无声响时的摆度 振动无明显变化 都在正常范 围内 但是各监视表计的指针有明显颤抖现象 颤动频率是否与声 响频率一致 暂无法定论 但这与声响应可能有必然的内在联系 机组振动 摆度测量值 组合轴承振动 0 01mm 水导轴承振动 0 04mm 水导处大轴摆度 0 10mm 转轮室振动 水平 0 03mm 垂直 0 04mm 三 机组声响的成因探讨及现象解释三 机组声响的成因探讨及现象解释 1 基本成因探讨 通常 水轮机在空载运行时 常会出现不稳定现象 除调速器 品质之外 与水轮机的水 力方面因素有关 主要与叶型有关 一是叶片的扭角 二是叶 栅稠密度 叶片扭角小 叶栅稠密度大的叶型 其空载运行稳定性 要好一些 贯流机的转轮叶片数量相对较少 本机组是 4 叶片 叶 栅稠密度较小 客观上其空载运行的稳定性较差 通俗解释 也就 由于浆叶比较稀疏 对水流的制约作用小 流经浆叶的水流流态不 是完全均衡 随之产生水力不平衡 一号机组在空载额定转速下 手动改变浆叶的旋转角 试图改 变协联工况消除声响 但没有效果 由此可知 非协联工况 并不是 空载时声响的主要根源 水轮机在空载运行时 由于导叶开度很小 进 入水轮机的水流偏离最优工况较远 从叶型上考虑 由于水力设计 因素 流经浆叶后的水流 形成周期性脉动紊流 该脉动紊流 既激 振转轮浆叶 又扫击转轮室边壁 产生机组的异常声响 这种连续 的脉动紊流通常称为 涡列 或 涡流 a 叶型涡列 叶型涡列是水流流经叶片时发生脱流而引起的涡列 水轮机 在非设计工况下运行叶片的绕流条件不良 此外 叶片出口边边界 层从壁面分离 这两者导致转轮出口处形成脱流旋涡 旋涡在弹性 叶片后面以非对称的形式上下交错地被释放到尾流中 即构成涡 列 见图一 但这种涡列与常见的卡门涡列不完全相同 因为转轮 浆叶在转动时 实际构成一组无限的移动 叶栅 转轮在旋转过程中 每一叶片的尾部水流都会被位于其 后的旋转叶片所切断 亦即单个叶片的脱流要受到移动叶栅的影 响 这种连续切断尾流的结果 会加速脱流的形成速度 增强涡列 的强度 随着涡列的不断出现 同时产生垂直于流向的交变侧向力 即 不均衡的侧向力 这种交变侧向力作用于弹性叶片尾缘上 注 对 贯流式转轮的叶片结构形状 在力特性上 通常可作为一个弹性体 考虑 就本电站机组的浆叶结构 尤显单薄 比国内生产的叶片在 厚度上相对薄得多 逐渐激起叶片尾部 浆叶出口边 的振荡 由于 叶片尾部振荡的反馈作用 叶片附近的水流受到激发和扰动 这种 受到激发和扰动的水流 又会反作用于叶片上 增加叶上的周期性 脉动压力 如此反复激励 使涡列不断增强 同时使叶片出口边产 生大幅振荡 当某一叶片旋转到某一位置 由于边界条件的改变 受到激发和扰动的水流突然释放积累能量 或叶片振荡幅度发生 突然变化 从而导致产生异常声响 叶型涡列 本身具有较大的水力能量 涡列中的水流质团是以 高频的不规则状态进行运动 涡列中的水质体是一个高能质团 一 旦涡列的边界条件改变 就会以撞击的形式释放固有能量 如遇到 转轮室边壁 亦可能发出类似金属撞击的声响 不论何种型式的水轮机 在非设计工况运行时 均会产生叶型 涡列 但一般情况下 涡列脱离叶片后进入尾水管 并汇集成旋转 状涡流带 旋转过程中可能不断扫动尾水管边壁 引起尾水管的压 力脉动和振动 同时也产生周期性的声响 但在这一点上 城关机 组的声响与之有本质的区别 尾水管内的涡带引起的振动具有以下特点尾水管内的涡带引起的振动具有以下特点 a 涡列脱离叶片后汇集成运动涡带 并具有一个正向环量 也就是有一个与叶片转向相同的旋转速度量 这个环量使涡带形 成螺旋状流向下游 同时涡带在旋转过程中不断扫动尾水管边壁 b 尾水管内涡带的扫动频率相对较低 其周期与尾水管内 的压力脉动基本相同 据不完全统计 水轮机尾水管的压力脉动频率 fs nh 3 nh 5 城关电站机组的额定转速为 100 转 分 由些推算 尾管涡带 的脉动频率的范围约是 33 至 20 次 分 明显低于转轮室实际声响 频率 故可确定异常声响并非是由于尾水管压力脉动引起 在理论 上 城关电站水轮机的声响与通常水轮机尾水管的压力脉动声响 都起源于叶型涡列 起源机理相似 但城关电站机组的反映现象 造成结果方面有质的区别 本文认为浆叶出水边的涡列作用是机组的异常声响的基本 根源 这些涡列在尚未进入尾水管形成低频旋转涡带前 由于浆叶 振幅突变 或涡列扫击转轮室边壁时产生异常声响 由此产生的 声响频率是与机组转速相同 当转速为 88 104 转 分时 产生涡 列 叶片激振 强化涡列 的相互作激励程度最强 声响噪音最 强 从各种迹象推测 机组在额定空转状态时 估计四个浆叶中的 一个叶片或二个叶片所产生的组合涡列为主导作用 否则声响频 率将是机组转速的倍数关系 仅凭听觉难以区别 b 间隙涡列 根据实践运行表明 在叶片外缘与转轮室之间的缝隙区域 其 流态也是水轮机中最为不利的部位之一 曾对几种间隙形状进行 了研究 并绘出了轴流式 同贯流式 转轮浆叶端部间隙形状和压 力分布及流态曲线 2 基本现象分析 为查找声响原因的过程中 机组曾多次启动 多次流道检查 对所谓的磨擦区 即油漆剥落区的分布进行仔细观察 虽然每次脱 落的具体位置并不完全重复 而变化不大 在分布上也有一个显著 的特点 集中在转轮室的上方 在下部是小面积的星状分布 而且 所有的油漆脱落区大都在浆叶空载开度时的投影区平面内 稍靠 下游侧 而在浆叶转动范围以外的区域 也有局部较大的油漆剥 落现象 经仔细观察 漆膜是成断裂状掉落 油漆的边界明显 边界基 本上由相互垂直的短直线段组成 且无被削薄的迹象 此外 对油 漆脱落后的金属表面仔观察 发现金属呈现新鲜光泽 工厂内的机 加工刀痕清淅可辨 无任何刮擦 剂压或微小变形现象 由此判断 脱漆现象主要是间隙涡列产生的间隙气蚀作用 其 次是叶型涡列撞击转轮室时将漆膜击落 从图二 a 中看出 水流 经浆叶间隙 在间隙后部产生一个负压区 但浆叶是在连续转动 当浆叶未扫过时的压力又是较高的正压 这样使漆膜受到交变压 力的作用 致使漆膜与金属表面脱开 尤其是在负压的作用下将漆 层拉断吸落 另外由于叶型外缘的涡列作用 不断扫击转轮室边壁 也 加速漆膜的脱落 由于漆膜的脆性 及机械加工刀痕的影响 所以 脱漆边界大都是与刀痕方向平行或垂直 由于机组运行时间较短 因此只是暴露出金属表面 间隙气蚀 的破坏后果尚未显露 至于只发生在转轮室上部的原因 在产生间 隙涡列的同时也产生间隙气蚀 由于卧式灯泡贯流机组 因直径较 大 转轮上部与下部的淹没深度差别显著 转轮室上部的气蚀性能 较下部差得多 因此上部的间隙气蚀破坏为烈 3 在浆叶转动区外的转轮室边壁脱漆现象 在机组的检查过程中 浆叶转动区外的转轮室边壁有星状的 掉漆现象 主要应从贯流机组结构 尤其是转轮室形状进行分析 主要是转轮室与浆叶的转动区为球形状 浆叶与转轮室间隙产生 涡列 随水流后移 部份涡列直接撞到转轮室的后部 从而产生落 漆现象 浆叶出水边外缘产生的涡列出于同样原因 也会造成浆叶 转动区外的转轮室边壁产生落漆现象 4 气蚀声响与异常声响的关系 气蚀在形成的机理上是一种复杂的物理 化学现象 同时与 水的汽化压力和水中空气含量 水的表面张力等因素有关 严重 的气蚀会破坏水轮机转轮和尾水管等过流部件 并在尾水管内产 生强烈的周期性噪声和振动 使水轮机运行不稳定 但从城关电站机组异常声响的特征判别 并不是由于气蚀所 产生 而是不平衡脱流涡列所造成 气蚀与异常声响之间不存在直 接的因果关系 气蚀所造成的破坏是微观量的破坏 气泡破裂撞击 金属表面是随机性的 因此所产生的声响也是无规则的 四 异常声响与发电机电磁埸的关系四 异常声响与发电机电磁埸的关系 一号机在启动程序试验过程中 发现一个特殊现象 当发电机 做短路试验 励磁电流达到一定值时 或机组并网后 异常声响聚 然消失 这说明电磁埸对机组的异常声响有着直接的关系 水轮发电机组根据物理性能可分为四个系统 1 水流系统 2 机械转动系统 弹性振动系统 3 机械固定系统 4 电磁系统 机组的转动部分 包括转子 主轴 转轮 浆叶等 由于其相 对刚度较低 在实际上是一个弹性振动系统 由于水流所激发的机组的各种机械性振动 或异常声响 其 特点是振动体的一部分或全部位于流体中 因而它不是一个孤立 的机械系统 也就是说 在产生振动过程中 流体与振动体以及电 磁埸之间存在相互作用 相互影响 因此 只有将 水体 弹性振动 系统 电磁 三者作为关连系统来研究 才能反映问题的本质 才 能解释机组加上励磁电流后异常声响消失的原因 在理论上以及实际运行中 以下情况可造成电气方面的机组 振动 1 周期性磁拉力分量 2 转子与定子之间有不均匀的气隙引起的作用力 3 转子短路时引起的作用力 4 发电机在不对称负荷下运行时产生的力 但对于城关电站机组而言 电气方面的因素并非造成机组的 振动 而是以上第 1 及 2 条因素 对水轮机弹性系统和水流系统的 振动频率产生干扰作用 改变了在 84 108 转速下 浆叶的激振频 率 从而改变了异常声响的形成条件 五 异常声响主导因素小结五 异常声响主导因素小结 通过以上分析 城关电站机组的异常声响的主导成因可归纳 为 1 由于水轮机的导叶和浆叶处于小开度时 水轮机运行工况 点远离设计工况点 浆叶出口处产生叶型涡列 涡列与弹性浆叶相 互激励 并使浆叶达到较大的振幅值 一旦边界条件改变或外部因 素的干扰 导致振幅突变 从而发出声响 2 由于的转子与定子之间的气隙不均匀 当转子通入励磁电 流后 引起周期性磁拉力分量 这个分量通过主轴 转轮等弹性体 系 最终传至浆叶上 从而改变浆叶的激振频率 致使异常声响的 消失 3 异常声响是一个多因素的 复杂的 综合成因 除上之外 还有其它各种制约条件 六 改进措施建议六 改进措施建议 根据以上的声响起因分析 其形成有 必要和充分条件 如要 改变声响的必要条件 也就是要消除脱流涡列 目前是不可能而且 也不现实 但如改变声响充分条件 也就是改变弹性系统的振动频 率 即可消除或避开声响 任何声音都是由物体振动所形成 而且 有一个固有的振动频率 机组的异常声响 也是振动引起 由水流 弹性系统和机械弹性系统组成比较复杂的多因素的振动系统 它 也有固有振动频率 本文设想改变浆叶的激振频率 也就是通过改 变机械弹性系统的振动频率 同时改变水流弹性系统对浆叶的激 振影响 由于水力设计和结构制造已定型 难以改变水力设计 也难以 改变结构来消除声响 但根据水力机械的运行实践经验 如对水流 掺入适当的空气 可改善浆叶尾部涡列的强度以及对浆叶的激励 振动 在水中渗进了空气增加了水的弹性 会改变水轮机浆叶的激 振频率 鉴于城关电站机组声响的特点和结构 建议利用已有的水 轮机转轮室浆叶前的测压管接入高压压缩空气 8kg cm2 这种方 法不涉及结构问题 也不危及运行安