梁明華，任中秋，丁 新

(中國(guó)水利水電十一局，河南 鄭州 450001)

0 引 言

水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)是非常普遍的現(xiàn)象，也是不能完全避免的；其產(chǎn)生的原因主要來(lái)自于設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)穩(wěn)定程度等多個(gè)方面。通過(guò)對(duì)比近年來(lái)多座水電站機(jī)組運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)其大部分主要是制造缺陷、安裝精度不足等導(dǎo)致；本文涉及的卡門(mén)渦問(wèn)題，就是其中之一。

卡門(mén)渦引發(fā)水輪機(jī)共振問(wèn)題，在前些年國(guó)內(nèi)某些電站也多次出現(xiàn)過(guò)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)學(xué)者以及水輪發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家對(duì)這一問(wèn)題的深度研究，卡門(mén)渦共振問(wèn)題出現(xiàn)頻次逐漸減少。當(dāng)然，這只是在制造前期根據(jù)預(yù)設(shè)的相關(guān)參數(shù)提出針對(duì)卡門(mén)渦的預(yù)估模型，再通過(guò)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)形式盡可能降低卡門(mén)渦出現(xiàn)的可能性。

水力學(xué)因素對(duì)水輪機(jī)的影響效果是非常復(fù)雜的，在建模分析時(shí)受到研究者能力、經(jīng)驗(yàn)等的影響，并不能百分之百避免卡門(mén)渦共振問(wèn)題。出現(xiàn)卡門(mén)渦共振后結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)再對(duì)原始模型進(jìn)行研究分析，必要時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修磨就顯得尤為重要。

1 概 述

洪都拉斯帕圖卡Ⅲ(Patuca Ⅲ)水電站裝有2臺(tái)額定功率為52 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為ZZD845—LJ—455。設(shè)計(jì)水頭36.5 m，最小水頭30.4 m，最大水頭45m，額定流量159.2 m3/s,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速163.6 r/min。水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)高負(fù)荷振動(dòng)區(qū)，即當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出有功為額定80%以下時(shí)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定；但輸出功率超過(guò)這個(gè)值并逐漸接近額定輸出時(shí)，在發(fā)電機(jī)層逐漸出現(xiàn)高頻振蕩的共鳴聲；同時(shí)伴隨有發(fā)電機(jī)層樓板靠近機(jī)組處以及欄桿等處出現(xiàn)振動(dòng)。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，聽(tīng)見(jiàn)或感覺(jué)到異常振動(dòng)，一般第一反應(yīng)就是看機(jī)組測(cè)振測(cè)擺數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，在這里也是一樣。當(dāng)首臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)共振時(shí)通過(guò)機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、頂蓋等處振動(dòng)幅值均小于25 μ，各處擺度也都合格(見(jiàn)圖1)。

頂蓋處振動(dòng) 下機(jī)架處振動(dòng)

利用UT315A便攜式測(cè)振儀檢查機(jī)組上下機(jī)架、定子機(jī)座、頂蓋等處其振動(dòng)規(guī)律與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)一致，停機(jī)檢查機(jī)組各個(gè)部位連接處也都正常。再次開(kāi)起機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，通過(guò)對(duì)水輪機(jī)逐一排查發(fā)現(xiàn)24個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉中靠近+Y方向部分導(dǎo)葉拐臂處振動(dòng)遠(yuǎn)超其他導(dǎo)葉。針對(duì)這一情況，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員架設(shè)百分表進(jìn)一步監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)正常導(dǎo)葉處表針幾乎不動(dòng)，在出現(xiàn)振動(dòng)導(dǎo)葉拐臂處表針出現(xiàn)了0.05～0.08 mm的高頻振動(dòng)。自此，振動(dòng)源被鎖定在這幾個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉處。

第二臺(tái)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過(guò)程與上述一致，同樣也在靠近+Y處發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉出現(xiàn)高頻振動(dòng)。為了得到更為準(zhǔn)確的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)使用了UT315A型號(hào)的便攜式測(cè)振儀，主要監(jiān)測(cè)活動(dòng)導(dǎo)葉軸頭處的振動(dòng)位移波形和頻譜；因?yàn)檫@種設(shè)備的側(cè)頭帶頭磁性吸座，測(cè)量時(shí)只需將側(cè)頭吸附在活動(dòng)導(dǎo)葉軸頭處即可。

最終得到的結(jié)果：1號(hào)機(jī)組振動(dòng)活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量為3件，位置為自機(jī)組+Y軸起順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)的3件；其中位于中間的1件活動(dòng)導(dǎo)葉較兩側(cè)的2件振動(dòng)更強(qiáng)烈。2號(hào)機(jī)組振動(dòng)活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為10個(gè)，在機(jī)組+Y軸兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，振動(dòng)現(xiàn)象沒(méi)有1號(hào)機(jī)組強(qiáng)烈。另外，當(dāng)機(jī)組出力超過(guò)80%負(fù)荷(42 MW)后，部分活動(dòng)導(dǎo)葉出現(xiàn)激烈振動(dòng)的現(xiàn)象，伴隨著出力的增加，振動(dòng)感變強(qiáng)。

2 原因分析

對(duì)于這種情況的出現(xiàn)，首先考慮的是水輪機(jī)固定導(dǎo)葉處卡主異物，異物在水流的沖擊下產(chǎn)生振動(dòng)再帶動(dòng)導(dǎo)葉出現(xiàn)同步振動(dòng)。為了驗(yàn)證這一說(shuō)法，根據(jù)檢修流程對(duì)水輪機(jī)流道內(nèi)部分進(jìn)行了詳細(xì)檢查，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)任何異物；并且與之相關(guān)的各處連接牢固無(wú)螺栓松動(dòng)的情況出現(xiàn)。

在查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料中發(fā)現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題也在其他水電站出現(xiàn)過(guò)，也就是卡門(mén)漩渦導(dǎo)致的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出現(xiàn)高頻振動(dòng)。對(duì)比卡門(mén)漩渦出現(xiàn)的機(jī)理，基本把問(wèn)題出現(xiàn)的原因鎖定在導(dǎo)葉出現(xiàn)的卡門(mén)渦振動(dòng)，只是要最終確定下來(lái)還需要進(jìn)一步驗(yàn)證；畢竟要處理它是需要在水輪機(jī)關(guān)鍵部件上實(shí)施破壞的，因此這一步需要特別謹(jǐn)慎。

水流繞過(guò)物體時(shí),在出水邊的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦,形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)則交錯(cuò)排列的旋渦,進(jìn)而互相干擾、互相吸引,形成非線型的渦街即卡門(mén)渦街。當(dāng)卡門(mén)渦街的沖擊頻率接近于轉(zhuǎn)動(dòng)體葉片的固有頻率時(shí),將產(chǎn)生共振,物體發(fā)生頻率比較單一的振動(dòng)并伴有噪音和金屬共鳴音。

也就是說(shuō)，導(dǎo)葉要出現(xiàn)卡門(mén)渦振動(dòng)需要具備的前提條件是導(dǎo)葉自身的固有頻率恰好和當(dāng)前工況下出現(xiàn)的漩渦振動(dòng)頻率一致。為了驗(yàn)證二者是否會(huì)出現(xiàn)頻率吻合，由水輪機(jī)生產(chǎn)廠家在其建立好的模型上進(jìn)行模擬及有限元分析。在分析其數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)論水流速如何，活動(dòng)導(dǎo)葉及固定導(dǎo)葉的固有頻率始終維持不變，但是隨著水流速的增加，卡門(mén)渦脫開(kāi)導(dǎo)葉出水邊時(shí)的振動(dòng)頻率卻是在不斷非線性增長(zhǎng)。也就是說(shuō)，有向?qū)~固有頻率不斷靠近的趨勢(shì)，并且當(dāng)水流速接近額定流速時(shí)，卡門(mén)渦的振動(dòng)頻率保持穩(wěn)定且與導(dǎo)葉固有頻率基本吻合。也就是說(shuō)，對(duì)于本項(xiàng)目的水輪機(jī)來(lái)講，理論上分析卡門(mén)渦引起的導(dǎo)葉振動(dòng)這一說(shuō)法是成立的。

3 處理過(guò)程分析

根據(jù)前面的分析，要想避開(kāi)卡門(mén)渦振動(dòng)，可以考慮破壞卡門(mén)漩渦脫開(kāi)導(dǎo)葉出水邊時(shí)的頻率或者改變導(dǎo)葉固有頻率。眾所周知，剛性體的固有頻率由其自身材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性決定，但是導(dǎo)葉是水輪發(fā)電機(jī)組中調(diào)節(jié)負(fù)荷的心臟部位，其質(zhì)量、形狀、材質(zhì)不宜做大的改變，因此改變活動(dòng)導(dǎo)葉固有頻率的方案不予考慮。那么在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改變卡門(mén)漩渦脫開(kāi)導(dǎo)葉出水邊時(shí)的頻率就作為首選方式。

卡門(mén)渦街頻率經(jīng)驗(yàn)公式：f=S×v/d

式中，v為接近繞流物體前的流速，針對(duì)導(dǎo)葉葉片為相對(duì)流速;S為斯特努哈數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值為0.22～0.23;d為垂直于液流方向，流體形成脫流尾跡處的最大寬度。

公式f=S×v/d中可變量v和d分別對(duì)應(yīng)于水輪機(jī)導(dǎo)葉出水邊的水流速度和導(dǎo)葉出水邊厚度，v和d改變?nèi)魏我粋€(gè)變量均可改變卡門(mén)渦街頻率，破壞導(dǎo)葉固有頻率和卡門(mén)渦街頻率的耦合而帶來(lái)的共振。而水輪發(fā)電機(jī)組要達(dá)到一定負(fù)荷就需要相應(yīng)水頭下達(dá)到一定流量，在水輪機(jī)流道已經(jīng)固定的前提下，水流速度v基本不會(huì)改變；相對(duì)容易改變是導(dǎo)葉出水邊的厚度d。因此，將通過(guò)對(duì)導(dǎo)葉出水邊修型處理作以改變導(dǎo)葉出水邊的厚度d的方法作為消除帕圖卡Ⅲ水電站活動(dòng)導(dǎo)葉振動(dòng)的方案。

另外，需要注意的是：活動(dòng)導(dǎo)葉的卡門(mén)渦街和活動(dòng)導(dǎo)葉固有頻率耦合發(fā)生共振從而產(chǎn)生振動(dòng)；另外水輪機(jī)導(dǎo)葉又分為固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉，在機(jī)組大負(fù)荷運(yùn)行狀況下固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉間距很小，不能排除固定導(dǎo)葉的卡門(mén)渦街作用于活動(dòng)導(dǎo)葉使活動(dòng)導(dǎo)葉共振而發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。

當(dāng)然，修型方式主要依托水輪機(jī)廠家的建模分析，即通過(guò)模擬修型計(jì)算卡門(mén)渦頻率變化來(lái)得到各次的修型方案。為此，分為3步對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行修型處理以驗(yàn)證前面的各項(xiàng)結(jié)論。

(1)選擇1號(hào)機(jī)作為此次驗(yàn)證對(duì)象，首先選擇2塊固定導(dǎo)葉在其平面?zhèn)韧ê?0 mm×5 mm扁鐵(見(jiàn)圖2)。

圖2 在固定導(dǎo)葉平面?zhèn)韧ê副忤F

再次啟動(dòng)機(jī)組達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)情況沒(méi)有任何改善，表明此種方式不可行。

(2)分別選擇1號(hào)機(jī)組2塊振動(dòng)的固定導(dǎo)葉及2塊活動(dòng)，但是這次采用增加導(dǎo)葉寬度及縮小出水邊厚度的方式，即在出水邊段焊通常的楔形鋼板條(見(jiàn)圖3)。

圖3 出水邊段焊楔形鋼板條

再次啟動(dòng)機(jī)組達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接了楔形板條的固定導(dǎo)葉振動(dòng)明顯減弱，利用便攜式測(cè)振儀檢測(cè)其振動(dòng)幅值不大于0.02 mm，表明此種方式可行。但是，活動(dòng)導(dǎo)葉的振動(dòng)是否由固定導(dǎo)葉引發(fā)，這一觀點(diǎn)仍然得不到印證。

(3)第三次選擇磨掉固定導(dǎo)葉上的楔形條，活動(dòng)導(dǎo)葉上的保持不變，再次啟動(dòng)機(jī)組并帶額定負(fù)荷后發(fā)現(xiàn)活動(dòng)導(dǎo)葉的振動(dòng)較第二次處理?xiàng)l件下有加強(qiáng)的趨勢(shì)；利用便攜式測(cè)振儀檢測(cè)器振動(dòng)幅值為0.03 mm，個(gè)別時(shí)間會(huì)達(dá)到0.04 mm，這說(shuō)明固定導(dǎo)葉的振動(dòng)對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉是有一定影響的。

為了進(jìn)一步優(yōu)化處理效果，固定導(dǎo)葉就采用上述第一步的方式焊接加寬楔形條，活動(dòng)導(dǎo)葉則在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行建模及有限元分析，最終確定活動(dòng)導(dǎo)葉修型方式(見(jiàn)圖4)。

圖4 活動(dòng)導(dǎo)葉修型方式

需要注意的是：在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)需要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，保證焊接變形在可控范圍內(nèi)，焊后嚴(yán)格執(zhí)行探傷檢查；焊道處打磨光滑以保證活動(dòng)導(dǎo)葉立面封水邊的封水質(zhì)量。

4 處理結(jié)果及結(jié)論

通過(guò)上述處理方法對(duì)本項(xiàng)目2臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行了修型處理，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象已消除，對(duì)卡門(mén)渦導(dǎo)致的導(dǎo)葉振動(dòng)處理結(jié)果達(dá)到了預(yù)期。為了更加直觀的體現(xiàn)出處理前后振動(dòng)的變化趨勢(shì)，這里將處理前后的振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸納如下所示(見(jiàn)圖5)。

至此，卡門(mén)渦引起的機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉振動(dòng)問(wèn)題已全部處理完畢。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合理論數(shù)據(jù)、模型分析對(duì)比分析加速了查找問(wèn)題根源的速度，提高了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的解決效率。

對(duì)固定導(dǎo)葉及活動(dòng)導(dǎo)葉出水邊進(jìn)行修型可破壞原有卡門(mén)渦振動(dòng)與導(dǎo)葉固有振動(dòng)之間的高度擬合，從而消除卡門(mén)渦共振問(wèn)題，使得機(jī)組運(yùn)行更趨于平穩(wěn)?？ㄩT(mén)渦振動(dòng)問(wèn)題對(duì)于水輪機(jī)導(dǎo)葉這類(lèi)繞流結(jié)構(gòu)是不可避免的，但是在機(jī)組前期建模分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠邢拊治黾敖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化(尤其是導(dǎo)葉脫流區(qū)域的幾何形狀優(yōu)化)可最大限度地降低卡門(mén)渦共振出現(xiàn)的可能性。