水轮发电机的水力脉动及振动问题探讨

近10多年来，一些大型水轮发电机组，如大古力、隔河岩、二滩、小浪底、五强溪等大型机组都存在不同程度的振动问题，严重影响到电网的稳定运行。2009年8月17日，俄罗斯萨扬水电站发生了严重的安全事故，水电站2号机组转子连同其上盖一同射出，并击穿其上的混凝土层，飞至水电机组上层地面（见下图），事故共造成88人死亡。而引起事故的原因就是在非有利区域运行时，振动剧烈，噪声刺耳，而没能立即卸载停机，从而造成水轮机顶盖固定螺栓被拉断，在水压力作用下机组转动部份带着水轮机顶盖及上机架向上弹射，导致事故发生。

1．无叶区压力脉动

无叶区压力脉动有本地产生的，也有由上、下游传递而来的。

（1） 无叶区的压力脉动包括：一部分由转轮进口冲击、脱流和次生水冲击产生的随机性压力脉动，转轮叶片对进口水流撞击产生的叶片频率压力脉动；导叶－转轮叶片组合频率压力脉动；无叶区环形水体共振产生的压力脉动等。

（2） 由下游和上游传递到蜗壳进口的所有压力脉动，也都同样会传递到无叶区

2．顶盖下压力脉动

顶盖下空间一般也不具备产生压力脉动的条件，故在这里监测到的压力脉动也是从上游和下游传递而来的各种压力脉动的叠加。因此顶盖下压力脉动幅值的大小和转轮及其迷宫结构和尺寸有关。但在出现异常压力脉动时，它可能成为顶盖下压力脉动的主要频率成分，沿圆周方向具有同步特征。由于顶盖下近似于一个封闭空间，这里的“水锤效应”比较大，即这里的压力脉动幅值可能比它的“原产的”还大。

当压力波传播方向 与水轮机流道中水流方向相反时，位于流道 上游或某个封闭空间（如顶盖与转轮上冠之间的空间）也产生使压力脉动增大的效应。这时上游流道段的流动水体就相当于一个柔性障碍物，当同步压力脉动相应的水流速度脉动与之相遇，两者就会产生速度与压力的转换和变化。

3．无叶区压力脉动产生的基本原因

（1）导叶叶道出口速度和压力分布不均匀；

（2）转轮叶道进口速度和压力分布不均匀；

（3）轮轮进口水流对转轮叶片的冲击和次生水冲击；

（4）转轮叶片对进口水流的撞击；

（5）上述各种因素的叠加

水轮机正常运行时，流经导叶的水流，绝大部分通过转轮流向尾水管，但也有一小部分通过转轮上、下迷宫装置间接漏向尾水管，这部分水流在一定的条件下能产生顶盖下至尾水管间的水力谐振或水力自激振动。当这种现象发生时，在顶盖下（即转轮上腔）、尾水管、蜗壳以及钢管内都将产生强烈的压力脉动。例如某水电站3号机在2002年5月大修检查时发现尾水管弯管段产生环状裂缝，其主要原因为低频水压脉动激起尾水管壁振动，当其振动频率接近尾水管的固有频率产生共振时，造成尾水管壁产生裂缝。

当流体绕过物体时，在其后面的两侧出现漩涡，形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡，进而互相干扰、互相吸引，俗称卡门涡列，而物体则受到与流动方向相垂直的交变力。当卡门涡列的冲击频率接近于水轮机叶片的固有频率时，将产生共振，并拌有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。卡门涡列主要出现在导叶和叶片的出水边，它的频率是以比较单纯的噪声形式表现出来。

故在设计转轮、叶片或导叶时，要求机组及零部件的固有频率避开卡门涡列频率，或选用较好的叶型，而对于以投产运行的机组，则要避开共振流速运行，修改叶片的形状或改变叶片的刚度。如浙江省黄坛口水电站水轮机转轮，涡列频率与转轮叶片长期处于共振频率下运行，使叶片产生疲劳裂纹。采用修整叶片出水边厚度和形状的方法，改变了卡门涡列产生的干扰频率；在转轮靠上根部叶片出水边附近的叶片之间加焊了无缝钢管撑筋，提高了转轮叶片的固有频率。这样一来，共振现象就消失了

压力脉动控制是水轮机行业的世界性难题，运行中面临的主要问题：空化与振动

（1）部分负荷压力脉动问题普遍存在；

（2）空化和压力脉动诱发振动，振动加剧疲劳，导致叶片裂纹；

（3）水轮机转频易与流动激振频率接近而引发共振。

大部分混流式水轮发电机组，都需要对水轮机进行补气，特别是像三峡、白鹤滩这样的巨型机组，对水轮机补气有着更加重要的意义。补气对减振作用明显，对空蚀区域补气则可防止或减轻空蚀破坏，低负荷时补气还可提高机组效率。通常的补气方式有3种：1． 尾水管短管补气；2．主轴中心孔补气；3．顶盖强迫补气；

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