摘要：本文对城关电站机组空载转动时，所发生的异常声响作一简述性介绍。对形成声响的机理分析，可能有谬误的地方，请见谅指正。目的仅是抛砖引玉，敬请有关专家对城关电站机组的异常声响能予以重视，各抒看法，期看终能得出主导性的成因源，并能获得问题的准确谜底及解决。要害词：水轮发机电周期性异常声响现象诠释福建沙县城关电站三台机组已于二零零零年六月上旬全数投进商业运。从电站主机装备的设计、制造、安装，经运行实践，整体情况优秀，但机组在某些工况下运转时，发出的周期性异常声响，该现象在国内尚属罕有，本文特将现象作简要介绍，并兼作初步探讨。　　1、水轮发机电组主要参数　　水轮机：发机电　　（1）型号：灯泡贯流式GZ4BN28A-WP-490（1）型号：SFWG16-60/5430　　（2）主轴安插形式：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）额定功率身分：0.9　　（6）额定流量：206.1m3/S（6）额定转速：100R/MIN　　（7）年夜飞逸转速:348.7R/MIN（7）额定频率：50HZ　　（8）高效力：94.93　　（9）吸出高度：-6.72m　　（10）水轮机安装高程：97m　　2、机组的异常声响　　九九年十二月四日一号机进行启动，当转速到达84转/分时，发现在转轮室发出稍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，转速到达88~104转/分时，异常声响到达高峰，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，机组转动显现正常状态。　　凭据声响症状，且与机组频率一致的特点，那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，显现金属光泽面。在浆叶上方的转轮室顶部，120度范围内，有类似磨擦痕迹，紧靠浆叶中心线下流方有一块较年夜磨擦区，其余部门面积较小，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较着的脱漆现象。　　检查转轮浆叶外缘端面，也发现个体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。立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，但声响照旧，无任何变化。转轮室的油漆脱落面基底细同，只是面积年夜小、和位置略有变化。　　为探明周期性声响的缘由，继而对水轮机的转动部件，如：浆叶与转轮毗连螺丝、转轮与主轴的毗连螺丝、主轴密封等，凡可能造成机械松动或相碰磨擦的部位作了周全仔细的检查及处置。而且在检查进程中，接纳了各类保证措施，破除并否认了机械性磨擦的身分。　　机组继续各项启动法式实验，测试值均合适尺度划定。在做发机电短路实验时，励磁电流加至一定值后，机组的异常声响突然消失。机组并进电网后（未带负载），声响也聚然遏制，从感受上与正常机组一样。机组有无声响时的摆度、振动无较着变化，都在正常范围内。可是各监视表计的指针有较着颤抖现象，颤抖频率是否与声响频率一致，暂没法定论，但这与声响应可能有必然的内在联系。　　机组振动、摆度丈量值：　　组合轴承振动：0.01mm　　水导轴承振动:0.04mm　　水导处年夜轴摆度:0.10mm　　转轮室振动-----水平:0.03mm垂直:0.04mm　　3、机组声响的成因探讨及现象诠释　　1、基本成因探讨　　凡是，水轮机在空载运行时，常会泛起不稳定现象，除调速器品质之外，与水轮机的水　　力方面身分有关，主要与叶型有关。一是叶片的扭角，二是叶栅浓密度。叶片扭角小，叶栅浓密度年夜的叶型，其空载运行稳定性要好一些。贯流机的转轮叶片数目相对较少（本机组是4叶片），叶栅浓密度较小，客观上其空载运行的稳定性较差。通俗诠释，也就由于浆叶比力稀疏，对水流的制约作用小，流经浆叶的水流流态不是完全平衡，随之发生水力不服衡。　　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，但没有用果。由此可知，“非协联工况”其实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，进进水轮机的水流偏离优工况较远。从叶型上斟酌，由于水力设计身分，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，发生气组的异常声响。这类接连的脉动紊畅通流畅常称为“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发的涡列，水轮机在非设计工况下运行叶片的绕流条件不良。此外，叶片出口边鸿沟层从壁面分手，这两者致使转轮出口处形成脱流漩涡，漩涡在弹性叶片后面以非对称的形式上下交织地被释放到尾流中，即组成涡列，见图一。但这类涡列与常见的卡门涡列不完全不异。由于转轮浆叶在转动时，现实组成一组无限的移动　　叶栅，转轮在旋转进程中，每叶片的尾部水流城市被位于其后的旋转叶片所切断，亦即单个叶片的脱流要遭到移动叶栅的影响。这类接连切断尾流的成效，会加速脱流的形成速度，增强涡列的强度。　　　　图一叶片的脱流和涡列示意图　　随着涡列的不竭泛起，同时发生垂直于流向的交变侧向力，即不平衡的侧向力，这类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外形，在力特征上，凡是可作为一个弹性体斟酌，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，叶片四周的水流遭到　　激起和扰动。这类遭到激起和扰动的水流，又会反作用于叶片上，增加叶上的周期性脉动压力，如斯频频激励，使涡列不竭增强，同时使叶片出口边发生年夜幅振荡。当某一叶片旋转到某一位置，由于鸿沟条件的改变，遭到激起和扰动的水流突然释放堆集能量，或叶片振荡幅度发生突然变化，从而致使发生异常声响。　　叶型涡列，自己具有较年夜的水力能量，涡列中的水流质团是以高频的不划定规矩状态进行运动，涡列中的水质体是一个高能质团，一旦涡列的鸿沟条件改变，就会以撞击的形式释放固有能量。如碰着转轮室边壁，亦可能发出类似金属撞击的声响。　　非论何种型式的水轮机，在非设计工况运行时，均会发生叶型涡列，但一般情况下，涡列脱离叶片落后进尾水管，并聚集成旋转状涡流带。旋转进程中可能不竭扫动尾水管边壁，引发尾水管的压力脉动和振动,同时也发生周期性的声响。但在这一点上，城关机组的声响与之有本质的区分。　　尾水管内的涡带引发的振动具有以下特点：　　A》涡列脱离叶片后聚集成运动涡带，并具有一个正向环量，也就是有一个与叶片转向不异的旋转速怀抱，这个环量使涡带形成螺旋状流向下流，同时涡带在旋转进程中不竭扫动尾水管边壁。　　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底细同。　　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，较着低于转轮室现实声响频率，故可肯定异常声响并非是由于尾水管压力脉动引发。在理论上，城关电站水轮机的声响与凡是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、造成成效方面有质的区分。　　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。这些涡列在还没有进进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发生异常声响，由此发生的声响频率是与机组转速不异。当转速为88~104转/分时，“发生涡列---叶片激振----强化涡列”的相互作激励水平强，声响噪音强。　　从各类迹象猜度，机组在额定空转状态时，估量四个浆叶中的一个叶片或二个叶片所发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，仅凭听觉难以区分。　　（B）间隙涡列　　凭据实践运行讲明，在叶片外缘与转轮室之间的裂缝区域，其流态也是水轮机中为晦气的部位。曾对几种间隙外形进行了研究。并绘出了轴流式（同贯流式）转轮浆叶端部间隙外形和压力散布及流态曲线，如图二所示：　　　　图二贯流式浆叶端间隙外形和流态、压力散布示意图　　图中（a）的A型间隙的断面外形欠安，在间隙进口处，因水流突然收缩，压力急剧下降，引发进口部门的强烈扰动及气蚀破坏。在间隙出口处，因水流突然扩散，引发脱流漩涡。而且在漩涡未远离之前，直接作用于叶片出口边壁和转轮室边壁，引发水力脉动和气蚀破坏。城关机组浆叶与转轮室间隙采用A型间隙。　　图中（B）的B型间隙，也会发生很年夜的压力降。因其流道出口为扩散形，在出口处也会发生脱流漩涡引发出口处的水力脉动和气蚀。　　图中（C）的C型间隙外形有较佳的流态和间隙压力散布，因进口有较年夜的半径的园弧，可以免水流突然收缩引发的压力急剧下降，而平直的出口间隙可以使可以使出口脱流漩涡远离叶片边壁和转轮室边壁。　　2、基本现象分析　　为查找声响缘由的进程中，机组曾屡次启动、屡次流道检查。对所谓的磨擦区，即油漆剥落区的散布进行仔细观察，虽然每次脱落的具体位置其实不完全重复，而变化不年夜。在散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散布。而且所有的油漆脱落区年夜都在浆叶空载开度时的投影区平面内（稍靠下流侧），而在浆叶转动范围之外的区域，也有局部较年夜的油漆剥落现象。　　经仔细观察，漆膜是成断裂状失落落，油漆的鸿沟较着，鸿沟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概况仔观察，发现金属显现新鲜光泽，工场内的机加工刀痕清淅可辨，无任何刮擦、剂压或细小变形现象，四周漆层概况未发现有机械性的撞击痕迹。脱漆鸿沟放年夜示意如图三所示。　　　　图三脱漆鸿沟放年夜示意图　　由此判定，脱漆现象主要是间隙涡列发生的间隙气蚀作用，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，在间隙后部发生一个负压区，但浆叶是在接连转动，当浆叶未扫过时的压力又是较高的正压，这样使漆膜遭到交变压力的作用，致使漆膜与金属概况脱开。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，不竭扫击转轮室边壁，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，所以脱漆鸿沟年夜都是与刀痕标的目的平行或垂直。　　由于机组运行时间较短，是以只是表露出金属概况，间隙气蚀的破坏后果还没有显露。至于只发生在转轮室上部的缘由，在发生间隙涡列的同时也发生间隙气蚀，由于卧式灯泡贯流机组，因直径较年夜，转轮上部与下部的沉没深度差异显著，转轮室上部的气蚀性能较下部差得多，是以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　　　　图四转轮室球外形示意图　　在机组的检查进程中，浆叶转动区外的转轮室边壁有星状的失落漆现象。主要应从贯流机组结构，尤其是转轮室外形进行分析。主要是转轮室与浆叶的转动区为球外形，浆叶与转轮室间隙发生涡列，随水流后移，部份涡列直接撞到转轮室的后部，从而发生落漆现象。浆叶出水边外缘发生的涡列出于一样缘由，也会造成浆叶转动区外的转轮室边壁发生落漆现象。　　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、水的概况张力等身分有关。严重的气蚀会破坏水轮机转轮和尾水管等过流部件，并在尾水管内发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，其实不是由于气蚀所发生，而是不服衡脱流涡列所造成，气蚀与异常声响之间不存在直接的因果关系，气蚀所酿成的破坏是微观量的破坏，气泡破裂撞击金属概况是随机性的，是以所发生的声响也是无划定规矩的。　　4、异常声响与发机电电磁埸的关系　　一号机在启动法式实验进程中，发现一个非凡现象，当发机电做短路实验，励磁电流到达一定值时、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。　　水轮发机电组凭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　　机组的转动部门，包括转子、主轴、转轮、浆叶等。由于其相对刚度较低，在现实上是一个弹性振动系统。　　由于水流所激起的机组的各类机械性振动（或异常声响），其特点是振动体的一部门或全数位于流体中，因而它不是一个孤立的机械系统。也就是说，在发生振动进程中，流体与振动体和电磁埸之间存在相互作用，相互影响。是以，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，才能诠释机组加上励磁电流后异常声响消失的缘由。　　在理论上和现实运行中，以下情况可造成电气方面的机组振动：　　1）周期性磁拉力份量；　　2)转子与定子之间有不平均的气隙引发的作用力；　　3)转子短路时引发的作用力；　　4)发机电在不合错误称负荷下运行时发生的力；　　但对于城关电站机组而言，电气方面的身分并非造成机组的振动，而是以上第1）及2）条身分，对水轮机弹性系统和水流系统的振动频率发生干扰作用。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。　　　　图五水流埸、机组、电磁埸作用方框图　　水流埸、机组、电磁埸三者相互影响的关系如方框图所示：　　u-水流流速；pw-流体动压力；pm-电磁拉力；e-干扰特征与响应　　5、异常声响主导身分小结　　经由过程以上分析，城关电站机组的异常声响的主导成因可回纳为：　　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，浆叶出口处发生叶型涡列，涡列与弹性浆叶相互激励，并使浆叶到达较年夜的振幅值，一旦鸿沟条件改变或外部身分的干扰，致使振幅突变，从而发作声响。　　2）由于的转子与定子之间的气隙不平均，当转子通进励磁电流后，引发周期性磁拉力份量。这个份量经由过程主轴、转轮等弹性系统，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）异常声响是一个多身分的、复杂的、综合成因，除上之外还有其它各类制约条件。　　6、改良措施建议　　凭据以上的声响原由分析，其形成有“需要和充实条件”，如要改变声响的需要条件，也就是要消除脱流涡列，今朝是不成能而且也不现实，但如改变声响充实条件，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，也是振动引发，由水流弹性系统和机械弹性系统组成比力复杂的多身分的振动系统，它也有固有振动频率。本文设想改变浆叶的激振频率，也就是经由过程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。但凭据水力机械的运行实践经验，如对水流掺进适当的空气，可改善浆叶尾部涡列的强度和对浆叶的激励振动；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，建议哄骗已有的水轮机转轮室浆叶前的测压管接进高压压缩空气（8KG/cm2），这类方式不触及结构问题，也不危及运行平安。　　鉴于已有四个测压孔的直径较小，补气量可能有限，但本实验只是为改变发生声响的激振频率，是以需用气量其实不会太年夜。这里需指出，在功能上与尾水管的真空破坏阀的补气作用分歧，其实不是要破坏尾水管的真空，两者所需的气量不成同语而言，本实验的补气必需在浆叶的的前部，而不是在浆叶以后的水流中。从机组并网空载运行时声响自行消失的现象可看出，空载时电磁场所发生的不服衡磁拉力力也其实不年夜（并网前后的机组转动部件的振动和摆度都无较着变化），由此可认为虽然测压孔的孔径较小，对实验仍是能知足一定的要求，至少能有改善的趋向。　　采用上述实验后，取得了较好效果，经进一步接纳改良措施，已解决异常声响题。