灯泡贯流式机组转轮室振动分析与处理

严磊

摘要：水电机组振动在运行过程中较为常见，灯泡贯流式机组由于其结构特殊性，转轮室异常振动易引发裂纹，造成转轮室漏水，甚至水淹厂房的危险。本文针对设计、施工、运维等过程中转轮室出现的振动问题进行总结，为同类型机组转轮室振动问题解决提供借鉴。

关键词：贯流式机组、转轮室、振动、裂纹

中图分类号：TK730 文献标识码：B

1 引言

水电机组振动是一种常见现象，机组在设计、施工、运维过程中的任何缺陷或异常都会引发机组振动[1]。同立式机组相比灯泡贯流式机组水流惯性时间常数较大，转动惯量较小，机组在调节的过程中更易产生水力激荡，同样激振力下产生振动的振幅更大[2]，转轮室作为重要的过流部件，也更易发生振动。目前国家标准和电力行业标准对于灯泡贯流式转轮室振动值无明确规定，电站在实际运行过程中转轮室出现振动增大时大多采取加强巡视的方式继续运行，只有待机组因振动过大带不上负荷或转轮室出现裂纹才开始重视，裂纹处理不当易引发水淹厂房事故。因此，对灯泡贯流式机组转轮室异常振动问题进行研究，解决或改善转轮室振动问题，对于机组的安全可靠运行和延长机组使用寿命具有十分重要的意义。

2 转轮室振动原因

引起灯泡贯流式机组转轮室振动的原因主要有三个方面[3]：一是水力因素，主要有水力不平衡、狭缝射流、协联关系不匹配、卡门涡和尾水涡带引发的压力脉动等；二机械原因，转轮质量不平衡、机组轴线不正或不良、支撑机构强度不足、导轴承缺陷或间隙调整不良、转轮室强度不足等；三是其他原因，如连接到转轮室本体的检修楼梯在机组运行过程中也会增加转轮室的振动。

3 异常振动分析与处理

3.1优化设计

灯泡贯流式机组的设计已相对成熟，但部分细节仍需优化。丰海电站2台15MW灯泡贯流式机组投产启动试验时负荷超过10.0 MW时振摆值随开度增大而增大，转轮室甚至出现异响。现场检查发现：转轮室上、下人孔门位置布置于转轮叶片旋转径向中心线上，机组运行过程中转轮叶片与转轮室进人门之间间隙产生局部水流紊乱形成压力脉动，引发转轮室异常振动[1]。现场将上、下人孔门与转轮室间隙焊接封闭，打磨平滑过渡后开机，转轮室异常振动问题消失。

转轮室的固有频率如与转轮叶片的过流频率一致或接近，易引发共振加剧转轮室振动，转轮室的固有频率应与转轮叶片的过流频率至少错开10%[4]。金银台水电站3台40MW灯泡贯流式机组自投运后因满负荷时转轮室振动大造成转轮室外环加强筋多次断裂，迫使机组长期35 MW以下负荷运行。现场测试发现：转轮室固有频率6.1Hz与桨叶通过频率（4倍转频6.67Hz）接近，初步采用安装加强环筋的方式增加转轮室强度，减振不明显[5]。最终通过更换转轮室进行技改，更换后3台机组转轮室固有频率均高于8 Hz（转频的1.2 倍），3台机组各负荷段振动值明显降低达设计值。

3.2环筋加固

灯泡贯流式水电机组转轮室为悬臂梁式结构，机组运行过程中易受水力因素影响，因此转轮室的厚度、刚度不满足标准或设计要求时易产生较大振动，甚至出现裂纹或漏水现象。

青海尼那2号机运行中转轮室振动最大值达0.75mm，现地可清晰观察到转轮室收缩、膨胀过程。转轮室厚度设计值为毛坯不小于60mm，加工后不小于50mm，但超声波测量显示转轮室厚度大多在30~40mm，转轮室刚度不足是机组振动的主要原因，电厂通过环筋加高的方式增加转轮室的抗弯强度，加固后机组振动幅值降低2.5倍[6]。

3.3规范施工[7]

水电机组的安装水平也决定了机组运行的稳定性。红旗水电站1号机各负荷段转轮室振动值在0.2~0.5mm，振动导致转轮室多处出现裂纹。现场发现转轮室合缝板角焊缝处焊缝宽度仅有5mm远低于厂家要求的20mm，经对材料疲劳应力计算得知：现场焊缝宽度疲劳应力远低于转轮室设计时材料的永久疲劳应力，因此机组异常振动导致产生裂纹的原因是角焊缝处结构收缩过渡不够以及焊缝未严格按工艺要求施工焊接。现场从裂纹末端向发生端磨除5mm~15mm深并磨出U型焊接坡口，清除粉尘后补焊，并在上下半部合缝板角焊缝处分别焊接一块三角加强筋板，将合缝板与转轮室母材连接到一起消除应力，处理后机组运行平稳转轮室未出现异常振动及裂纹。

3.4协联优化

灯泡贯流式水电站汛期河道枯木树枝、生活垃圾等较多，易造成拦污栅淤堵，降低机组的有效利用水头，造成过流通道水流紊乱。如拦污栅破损，枯木等进入转轮室易造成桨叶与转轮室卡阻，转轮室的振动值会瞬间增大。

机组频繁穿越或长期运行在振动区易引发转轮室振动，同时运行过程中协联关系不匹配也会造成转轮室的异常振动。电站最初协联曲线是通过模型试验转化得到真机协联曲线，但模型与原型相比存在部分简化、原型过流部件的加工精度、机组的安装质量、进水口的入流条件等都会造成协联曲线的差异，即使同一电站的不同机组协联曲线也存在些许偏差，机组不在最优工况下运行易造成机组的异常振动

[8]。

某灯泡贯流式水电站通过优化协联曲线，最高负荷工况时转轮室水平振动降低了81. 84 μm，垂直降低104. 98μm[9]。金银台水电站机通过调整机组协联曲线，转轮室冲击异响消失、振动值降低[5]。蜀河水电厂2号机组和5号机组分别在某一水头导叶开度不变时，手动调节桨叶开度，改变协联关系前后，最大负荷由17MW增加到21 MW且机组振动明显减小，通过优化协联曲线，转轮室振动最大值由457μm降低到110μm[10]。

3.5 调整结构[11]

凌津滩电厂9台30MW灯泡贯流式机组投产后，转轮室一直存在异常振动问题：转轮室水平及垂直振动幅值达500μm，低水头运行时最高达800μm。通过主轴加粗、主轴材质升级、水导轴承中心线下移，减小转轮中心处挠度，改善转轮水流流态，降低了水力激振力。改造后8.0~10.0ｍ水头下，转轮室振动降幅约40%，减振效果明显。

4小结

本文对设计、施工、运维等不同阶段转轮室振动案例分析及处理过程进行了论述，降低转轮室振动的方法主要有：

1）设计时应考虑降低转轮中心处的挠度降低水轮机转轮室振动，同时避免人孔门位置布置于转轮叶片旋转径向中心线，转轮室的固有频率与转轮叶片的过流频率错开10%以上；

2）制造加工后转轮室厚度不得低于设计值，安装转轮体时焊接必须严格按照工艺要求施工；

3）运维过程应避免机组频繁穿越或长期运行在振动区，汛期及时清理浮物，转轮室振动增大时可通过优化协联曲线减振，若机组振动导致转轮室开裂可通过增加环筋方式加强转轮室强度，处理后效果不明显可通过更换转轮室增加转轮室整体刚度和强度降振。

参考文献

[1]王文忠.丰海电站灯泡贯流式水轮机运行振动及异常噪声原因分析与处理[J].水电站机电技术,2012,35(02):57-60.

[2]王立刚.振动测量值对灯泡贯流式机组运行的指导[J].江西电力,2009,33(01):14-15+48.

[3]李书明,杨晔,万元等.大型卧式水电机组转轮室振动异常原因诊断与分析[J].江西电力,2020,44(04):58-60+66.

[4]GB/T 15468-2020, 水轮机基本技术条件[S].

[5]王泽洪.金银台水电站机组转轮室振动较大原因分析及处理[J].红水河,2013,32(02):72-77.

[6] 李凡林. 尼那贯流机组转轮室本体及环筋开裂的分析及处理[C]//湖南省水力发电工程学会,广东省水力发电工程学会,甘肃省水力发电工程学会.水电站机电技术研讨会论文集.甘肃省水力发电工程学会,2010:196-198.

[7]李进博,易吉军.红旗水电站贯流式机组转轮室裂纹分析及处理[J].四川水力发电,2017,36(01):108-109.

[8] 时志能,葛荣,黄璐璐.考虑振动因素的灯泡贯流式机组优化运行[J].云南水力发电,2022,38(04):247-249.

[9]付亮,寇攀高,尹京平等.灯泡贯流式机组协联优化试验分析[J].水利水电技术,2014,45(07):84-87.

[10]许惠敏.灯泡贯流式水轮机导叶、桨叶协联变化的关系和消除振动方法[J].西北水电,2012(06):67-69.

[11]黄星德,田劲松.凌津滩电厂水轮机转轮室减振研究及应用[J].水电站机电技术,2022,45(10):5-8.