浅析水力原因引起的水轮机振动及其处理方法

胡佳琪

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 前言

水轮机运行中出现振动是常见的现象，但不允许超出振动值。若能将其振幅限制在允许范围内，就能确保机组安全正常运行。但较大振动对机组安全是不利的，会造成如下危害：a)使机组各连接部件松动,使各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏；b)引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂；c)尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝；当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，将发生共振，引起机组出力大幅度波动，可能会造成机组从电力系统中解列，甚至危及厂房及水工建筑物。

2 振动原因分析与处理

振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性，且当机组处在非设计工况或过渡工况运行时，因水流状况恶化，机组各部件的振动亦明显增大。由于单位体积水流的能量取决于水头，所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱，高水头、低负荷时振动相对而言较为严重。常见的由水力原因引起的水轮机振动有以下几种：（1）尾水管中水流涡带所引起的压力脉动诱发的水轮机振动。混流式水轮机在偏离最优工况运行时，尾水管中将出现涡带，由此引起水轮机振动，并伴有响声，常发生在30%～60%额定负荷范围内。强烈的涡带可能引起厂房振动；若由涡带引起的尾水管中的低频压力脉动频率与引水管固有频率接近，则可能引起引水管强烈振动；如果压力脉动频率和水轮机的转频接近，则可能引起功率摆动，如凤滩、柘溪、狮子滩、刘家峡等水电站均存在涡带引起的振动，常在转轮出口附近的尾水管上部装十字架补气装置，或轴心补气，还有采取加长泄水锥或加同轴扩散形内层水管段；近年来，一些大中型水电站在尾水管入口处加装导流瓦和导流翼板等都可使涡带引起的振动减轻或消失。（2）卡门涡列引起的振动。当水流流经非流线型障碍物时，在其后面尾流中分裂出一系列变态漩涡，即所谓卡门涡列。这种涡列交替地作顺时针或反时针方向旋转。在其不断形成与消失过程中，会在垂直于主流方向引起交变的振动力。当卡门涡列的频率与叶片固有频率接近时，叶片动应力急剧增大，有时发出响声，甚至使叶片根部振裂。卡门涡列一般发生在50%额定出力以上的某种工况，如浙江的黄坛口、湖南的水府庙、江西的洪门等水电站均发生过卡门涡列振动，采用改变卡门涡列频率或叶片固有频率的办法，可以减轻卡门涡列振动，如将叶片出水边削薄或改型，有可能使正背两面构成的交流漩涡抵消或削弱；同时提高了卡门涡列的振动频率，使其远离叶片自振频率，避免共振，但是叶片削薄改型部分不宜太长，否则会影响翼型的特性，降低效率；尾端圆角应满足强度要求，不应太小。水府庙水电站采用在叶片之间加焊支撑钢管，也可以改变叶片的自振频率，避免疲劳裂纹。（3）转轮止漏间隙不均匀引起的振动。为了减少高水头水轮机转轮的容积损失，通常采用梳齿形止漏装置，但当结构不合理或间隙过小时，即使主轴很小的偏心或止漏环少量的几何形状误差（如椭圆度、不均匀磨损等），都会引起间隙内压力的变化和波动。间隙大处其流速较小而压力较大，间隙小处则相反，因而造成间隙内的压力不均匀分布和侧向水推力，引起转轮偏心变大和振动，其振动频率与止漏环偏心运动的频率相同。实践证明，适当增大外止漏环间隙，可使转轮偏心运动对转轮背压和止漏环间隙中压力的影响明显减弱，从而减小振动。如渔子溪4号机运行半年出现振动过大，后将上下止漏环间隙由1mm增加到2.5mm，振幅减小在规定范围内。（4）冲击式水轮机尾水上涨引起的振动。正常时，冲击式水轮机的尾水位与转轮必须保持一定距离，尾水应无压流动。如果尾水渠雍水回溅到水斗上，扰乱水头与射流的正常流程，也会引起机组效率下降和振动。此外，运行时处于转轮附近的空气，会被高速射流带走并从尾水渠中排出，机壳上的补气孔太小或冒水就有可能使尾水位抬高甚至淹没转轮，使尾水形成有压流动，不仅产生强烈振动，而且危及机组安全。此种情况下，可采用扩大尾水渠断面或增加机壳补气量的方法来消除振动。

除上述几种常见的水力振动外，其他水力振动还包括：进水口拦污栅被杂物堵塞激发的脉动；杂物进入水轮机转动与固定部件之间，引起断流或流量突变而振动；在不设调压井的长尾水系统电站中，甩负荷工况会出现水柱分离现象造成振动；转轮室内流场不稳定可能引起控制系统振动，导致压力脉动，使出力在某一范围内摆动，利用单导叶接力器可以避免机组在导叶不同步的范围内运行。

3 结语

引起水轮机振动增大的原因很多，也可能是几种原因同时作用造成的，甚至产生相互加剧的连锁反应，在未找到原因前，应避开在振动区运行。尤其是机组向高比转速、大容量方向发展，单机容量增大，机组结构尺寸增大。为减少金属用量，机组刚度相对地降低，振动问题将更加突出。为提高水电厂的安全性、经济性和可靠性，必须对机组振动问题加强调查、研究和总结，提出相应的措施，以提高水电设备的设计制造水平和水电厂的安全经济运行水平。

[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[C].北京:机械工业出版社,1976.

[2]曹琨，姚志民.水轮机原理与水力设计[M].北京:清华大学出版社,1991.

[3]陶星明，刘光宁.关于混流式水轮机稳定性的几点建议[J].大电机技术，2002(02).