水輪發(fā)電機組異常聲響成因探討
福建沙縣城關電站三臺機組已于二零零零年六月上旬全部投入商業(yè)運。從電站主機設備的設計、制造、安裝，經(jīng)運行實踐，總體情況良好，但機組在某些工況下運轉時，發(fā)出的周期性異常聲響，該現(xiàn)象在國內(nèi)尚屬罕見，本文特將現(xiàn)象作扼要介紹，并兼作初步探討。
一、水輪發(fā)電機組主要參數(shù)
水輪機：發(fā)電機
（1）型號：燈泡貫流式 GZ4BN28A-WP-490 （1）型號：SFWG16-60/5430
（2）主軸布置形式：臥軸、兩支點雙懸臂（2）額定電流：100 R/MIN
（3）轉輪直徑：D1=4.9m （3）額定電壓：6300V
（4）額定水頭： 8.8m （4）額定功率：1600KW
（5）額定出力: 1650KW （5）額定功率因素：0.9
（6）額定流量：206.1m3/S （6）額定轉速：100R/MIN
（7）最大飛逸轉速:348.7 R/MIN （7）額定頻率：50HZ
（8）最高效力：94.93%
（9）吸出高度：- 6.72m
（10）水輪機安裝高程：97m
二、機組的異常聲響
九九年十二月四日一號機進行首次啟動，當轉速達到84轉/分時，發(fā)現(xiàn)在轉輪室發(fā)出輕微的類似金屬的碰撞聲，聲響頻率與機組轉速同步，隨機組轉速上升，聲級隨之增加，轉速達到88~104轉/分時，異常聲響達到高峰，括擦聲淹蓋水流聲，轉速升至108轉/分以上，異常聲響又漸漸消失，機組轉動呈現(xiàn)正常狀態(tài)。
根據(jù)聲響癥狀，且與機組頻率一致的特點，當時認為是結構性的機械聲響，而且主要部位在轉輪室。然之進行流道檢查。檢查發(fā)現(xiàn)轉輪室的油漆有塊狀剝落，呈現(xiàn)金屬光澤面。在漿葉上方的轉輪室頂部，120度范圍內(nèi)，有類似磨擦痕跡，緊靠漿葉中心線下游方有一塊較大磨擦區(qū)，其余部分面積較小，轉輪室下底部也有較小的擦痕。此外，在漿葉的轉動區(qū)域外也有明顯的脫漆現(xiàn)象。
檢查轉輪漿葉外緣端面，也發(fā)現(xiàn)個別漿葉有類似磨擦癥象，判別為漿葉與轉輪室邊壁存在間隙磨擦。當即對漿葉出水邊的外緣進行局部打磨0.5mm 。機組再次充水空載啟動，但聲響依舊，無任何變化。轉輪室的油漆脫落面基本相同，只是面積大小、以及位置略有變化。
為探明周期性聲響的原因，繼而對水輪機的轉動部件，如：漿葉與轉輪連接螺絲、轉輪與主軸的連接螺絲、主軸密封等，凡可能造成機械松動或相碰磨擦的部位作了全面仔細的檢查及處理。而且在檢查過程中，采取了各種保證措施，排除并否定了機械性磨擦的因素。
機組繼續(xù)各項啟動程序試驗 ，測試值均符合標準規(guī)定。在做發(fā)電機短路試驗時，勵磁電流加至一定值后，機組的異常聲響突然消失。機組并入電網(wǎng)后（未帶負載），聲響也聚然停止，從感覺上與正常機組一樣。機組有無聲響時的擺度、振動無明顯變化，都在正常范圍內(nèi)。但是各監(jiān)視表計的指針有明顯顫抖現(xiàn)象，顫動頻率是否與聲響頻率一致，暫無法定論，但這與聲響應可能有必然的內(nèi)在聯(lián)系。
機組振動、擺度測量值：
組合軸承振動：0.01mm
水導軸承振動: 0.04mm
水導處大軸擺度: 0.10mm
轉輪室振動-----水平: 0.03mm 垂直: 0.04mm
三、機組聲響的成因探討及現(xiàn)象解釋
1、基本成因探討
通常，水輪機在空載運行時，常會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，除調速器品質之外，與水輪機的水
力方面因素有關，主要與葉型有關。一是葉片的扭角，二是葉柵稠密度。葉片扭角小，葉柵稠密度大的葉型，其空載運行穩(wěn)定性要好一些。貫流機的轉輪葉片數(shù)量相對較少（本機組是4葉片），葉柵稠密度較小，客觀上其空載運行的穩(wěn)定性較差。通俗解釋，也就由于漿葉比較稀疏，對水流的制約作用小，流經(jīng)漿葉的水流流態(tài)不是完全均衡，隨之產(chǎn)生水力不平衡。
一號機組在空載額定轉速下，手動改變漿葉的旋轉角，試圖改變協(xié)聯(lián)工況消除聲響，但沒有效果。由此可知，“非協(xié)聯(lián)工況”并不是空載時聲響的主要根源。水輪機在空載運行時，由于導葉開度很小，進入水輪機的水流偏離最優(yōu)工況較遠。從葉型上考慮，由于水力設計因素，流經(jīng)漿葉后的水流，形成周期性脈動紊流。該脈動紊流，既激振轉輪漿葉，又掃擊轉輪室邊壁，產(chǎn)生機組的異常聲響。這種連續(xù)的脈動紊流通常稱為“渦列”或“渦流”。
（A） 葉型渦列
葉型渦列是水流流經(jīng)葉片時發(fā)生脫流而引起的渦列，水輪機在非設計工況下運行葉片的繞流條件不良。此外，葉片出口邊邊界層從壁面分離，這兩者導致轉輪出口處形成脫流旋渦，旋渦在彈性葉片后面以非對稱的形式上下交錯地被釋放到尾流中，即構成渦列，見圖一。但這種渦列與常見的卡門渦列不完全相同。因為轉輪漿葉在轉動時，實際構成一組無限的移動
葉柵，轉輪在旋轉過程中，每一葉片的尾部水流都會被位于其后的旋轉葉片所切斷，亦即單個葉片的脫流要受到移動葉柵的影響。這種連續(xù)切斷尾流的結果，會加速脫流的形成速度，增強渦列的強度。
圖一 葉片的脫流和渦列示意圖
隨著渦列的不斷出現(xiàn)，同時產(chǎn)生垂直于流向的交變側向力，即不均衡的側向力，這種交變側向力作用于彈性葉片尾緣上。(注：對貫流式轉輪的葉片結構形狀，在力特性上，通常可作為一個彈性體考慮，就本電站機組的漿葉結構，尤顯單薄，比國內(nèi)生產(chǎn)的葉片在厚度上相對薄得多)。逐漸激起葉片尾部（漿葉出口邊）的振蕩，由于葉片尾部振蕩的反饋作用，葉片附近的水流受到
激發(fā)和擾動。這種受到激發(fā)和擾動的水流，又會反作用于葉片上，增加葉上的周期性脈動壓力，如此反復激勵，使渦列不斷增強，同時使葉片出口邊產(chǎn)生大幅振蕩。當某一葉片旋轉到某一位置，由于邊界條件的改變，受到激發(fā)和擾動的水流突然釋放積累能量，或葉片振蕩幅度發(fā)生突然變化，從而導致產(chǎn)生異常聲響。
葉型渦列，本身具有較大的水力能量，渦列中的水流質團是以高頻的不規(guī)則狀態(tài)進行運動，渦列中的水質體是一個高能質團，一旦渦列的邊界條件改變，就會以撞擊的形式釋放固有能量。如遇到轉輪室邊壁，亦可能發(fā)出類似金屬撞擊的聲響。
不論何種型式的水輪機，在非設計工況運行時，均會產(chǎn)生葉型渦列，但一般情況下，渦列脫離葉片后進入尾水管，并匯集成旋轉狀渦流帶。旋轉過程中可能不斷掃動尾水管邊壁，引起尾水管的壓力脈動和振動,同時也產(chǎn)生周期性的聲響。但在這一點上，城關機組的聲響與之有本質的區(qū)別。
尾水管內(nèi)的渦帶引起的振動具有以下特點：
A》渦列脫離葉片后匯集成運動渦帶，并具有一個正向環(huán)量，也就是有一個與葉片轉向相同的旋轉速度量，這個環(huán)量使渦帶形成螺旋狀流向下游，同時渦帶在旋轉過程中不斷掃動尾水管邊壁。
B》尾水管內(nèi)渦帶的掃動頻率相對較低，其周期與尾水管內(nèi)的壓力脈動基本相同。
據(jù)不完全統(tǒng)計，水輪機尾水管的壓力脈動頻率：
f S =（n H / 3）~（n H / 5）
城關電站機組的額定轉速為100轉/分。由些推算，尾管渦帶的脈動頻率的范圍約是33至20次/分，明顯低于轉輪室實際聲響頻率，故可確定異常聲響并非是由于尾水管壓力脈動引起。在理論上，城關電站水輪機的聲響與通常水輪機尾水管的壓力脈動聲響，都起源于葉型渦列，起源機理相似，但城關電站機組的反映現(xiàn)象、造成結果方面有質的區(qū)別。
本文認為漿葉出水邊的渦列作用是機組的異常聲響的基本根源。這些渦列在尚未進入尾水管形成低頻旋轉渦帶前，由于漿葉振幅突變、或渦列掃擊轉輪室邊壁時產(chǎn)生異常聲響，由此產(chǎn)生的聲響頻率是與機組轉速相同。當轉速為88~104轉/分時，“產(chǎn)生渦列---葉片激振----強化渦列”的相互作激勵程度最強，聲響噪音最強。
從各種跡象推測，機組在額定空轉狀態(tài)時，估計四個漿葉中的一個葉片或二個葉片所產(chǎn)生的組合渦列為主導作用，否則聲響頻率將是機組轉速的倍數(shù)關系，僅憑聽覺難以區(qū)別。
（B）間隙渦列
根據(jù)實踐運行表明，在葉片外緣與轉輪室之間的縫隙區(qū)域，其流態(tài)也是水輪機中最為不利的部位之一。曾對幾種間隙形狀進行了研究。并繪出了軸流式（同貫流式）轉輪漿葉端部間隙形狀和壓力分布及流態(tài)曲線，如圖二所示：
圖二 貫流式漿葉端間隙形狀和流態(tài)、壓力分布示意圖
圖中（a）的A型間隙的斷面形狀不佳，在間隙進口處，因水流突然收縮，壓力急劇下降，引起進口部分的強烈擾動及氣蝕破壞。在間隙出口處，因水流突然擴散，引起脫流旋渦。而且在旋渦未遠離之前，直接作用于葉片出口邊壁和轉輪室邊壁，引起水力脈動和氣蝕破壞。城關機組漿葉與轉輪室間隙采用A型間隙。
圖中（B）的B型間隙，也會產(chǎn)生很大的壓力降。因其流道出口為擴散形，在出口處也會產(chǎn)生脫流旋渦引起出口處的水力脈動和氣蝕。
圖中（C）的C型間隙形狀有較佳的流態(tài)和間隙壓力分布，因進口有較大的半徑的園弧，可以避免水流突然收縮引起的壓力急劇下降，而平直的出口間隙可使可使出口脫流旋渦遠離葉片邊壁和轉輪室邊壁。
2、基本現(xiàn)象分析
為查找聲響原因的過程中，機組曾多次啟動、多次流道檢查。對所謂的磨擦區(qū)，即油漆剝落區(qū)的分布進行仔細觀察，雖然每次脫落的具體位置并不完全重復，而變化不大。在分布上也有一個顯著的特點，集中在轉輪室的上方，在下部是小面積的星狀分布。而且所有的油漆脫落區(qū)大都在漿葉空載開度時的投影區(qū)平面內(nèi)（稍靠下游側），而在漿葉轉動范圍以外的區(qū)域，也有局部較大的油漆剝落現(xiàn)象。
經(jīng)仔細觀察，漆膜是成斷裂狀掉落，油漆的邊界明顯，邊界基本上由相互垂直的短直線段組成，且無被削薄的跡象。此外，對油漆脫落后的金屬表面仔觀察，發(fā)現(xiàn)金屬呈現(xiàn)新鮮光澤，工廠內(nèi)的機加工刀痕清淅可辨，無任何刮擦、劑壓或微小變形現(xiàn)象，周圍漆層表面未發(fā)現(xiàn)有機械性的撞擊痕跡。脫漆邊界放大示意如圖三所示。
圖三 脫漆邊界放大示意圖
由此判斷，脫漆現(xiàn)象主要是間隙渦列產(chǎn)生的間隙氣蝕作用，其次是葉型渦列撞擊轉輪室時將漆膜擊落。從圖二（A）中看出，水流經(jīng)漿葉間隙，在間隙后部產(chǎn)生一個負壓區(qū)，但漿葉是在連續(xù)轉動，當漿葉未掃過時的壓力又是較高的正壓，這樣使漆膜受到交變壓力的作用，致使漆膜與金屬表面脫開。尤其是在負壓的作用下將漆層拉斷吸落。另外由于葉型外緣的渦列作用，不斷掃擊轉輪室邊壁，也加速漆膜的脫落。由于漆膜的脆性，及機械加工刀痕的影響，所以脫漆邊界大都是與刀痕方向平行或垂直。
由于機組運行時間較短，因此只是暴露出金屬表面，間隙氣蝕的破壞后果尚未顯露。至于只發(fā)生在轉輪室上部的原因，在產(chǎn)生間隙渦列的同時也產(chǎn)生間隙氣蝕，由于臥式燈泡貫流機組，因直徑較大，轉輪上部與下部的淹沒深度差別顯著，轉輪室上部的氣蝕性能較下部差得多，因此上部的間隙氣蝕破壞為烈。
3、在漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁脫漆現(xiàn)象
圖四 轉輪室球形狀示意圖
在機組的檢查過程中，漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁有星狀的掉漆現(xiàn)象。主要應從貫流機組結構，尤其是轉輪室形狀進行分析。主要是轉輪室與漿葉的轉動區(qū)為球形狀，漿葉與轉輪室間隙產(chǎn)生渦列，隨水流后移，部份渦列直接撞到轉輪室的后部，從而產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。漿葉出水邊外緣產(chǎn)生的渦列出于同樣原因，也會造成漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。
4、氣蝕聲響與異常聲響的關系
氣蝕在形成的機理上是一種復雜的物理、化學現(xiàn)象，同時與水的汽化壓力和水中空氣含量、水的表面張力等因素有關。嚴重的氣蝕會破壞水輪機轉輪和尾水管等過流部件，并在尾水管內(nèi)產(chǎn)生強烈的周期性噪聲和振動，使水輪機運行不穩(wěn)定。
但從城關電站機組異常聲響的特征判別，并不是由于氣蝕所產(chǎn)生，而是不平衡脫流渦列所造成，氣蝕與異常聲響之間不存在直接的因果關系，氣蝕所造成的破壞是微觀量的破壞，氣泡破裂撞擊金屬表面是隨機性的，因此所產(chǎn)生的聲響也是無規(guī)則的。
四、異常聲響與發(fā)電機電磁埸的關系
一號機在啟動程序試驗過程中，發(fā)現(xiàn)一個特殊現(xiàn)象，當發(fā)電機做短路試驗，勵磁電流達到一定值時、或機組并網(wǎng)后，異常聲響聚然消失。這說明電磁埸對機組的異常聲響有著直接的關系。
水輪發(fā)電機組根據(jù)物理性能可分為四個系統(tǒng)：
1，水流系統(tǒng) 2，機械轉動系統(tǒng)（彈性振動系統(tǒng)） 3，機械固定系統(tǒng) 4，電磁系統(tǒng)
機組的轉動部分，包括轉子、主軸、轉輪、漿葉等。由于其相對剛度較低，在實際上是一個彈性振動系統(tǒng)。
由于水流所激發(fā)的機組的各種機械性振動（或異常聲響），其特點是振動體的一部分或全部位于流體中，因而它不是一個孤立的機械系統(tǒng)。也就是說，在產(chǎn)生振動過程中，流體與振動體以及電磁埸之間存在相互作用，相互影響。因此，只有將（水體—彈性振動系統(tǒng)—電磁）三者作為關連系統(tǒng)來研究，才能反映問題的本質，才能解釋機組加上勵磁電流后異常聲響消失的原因。
在理論上以及實際運行中，以下情況可造成電氣方面的機組振動：
1）周期性磁拉力分量；
2)轉子與定子之間有不均勻的氣隙引起的作用力；
3) 轉子短路時引起的作用力；
4) 發(fā)電機在不對稱負荷下運行時產(chǎn)生的力；
但對于城關電站機組而言，電氣方面的因素并非造成機組的振動，而是以上第1）及2）條因素，對水輪機彈性系統(tǒng)和水流系統(tǒng)的振動頻率產(chǎn)生干擾作用。改變了在84~108轉速下，漿葉的激振頻率，從而改變了異常聲響的形成條件。
圖五 水流埸、機組、電磁埸作用方框圖
水流埸、機組、電磁埸三者相互影響的關系如方框圖所示：
u -水流流速； pw -流體動壓力； pm -電磁拉力； e -干擾特性與響應
五、異常聲響主導因素小結
通過以上分析，城關電站機組的異常聲響的主導成因可歸納為：
1）由于水輪機的導葉和漿葉處于小開度時，水輪機運行工況點遠離設計工況點，漿葉出口處產(chǎn)生葉型渦列，渦列與彈性漿葉相互激勵，并使?jié){葉達到較大的振幅值，一旦邊界條件改變或外部因素的干擾，導致振幅突變，從而發(fā)出聲響。
2）由于的轉子與定子之間的氣隙不均勻，當轉子通入勵磁電流后，引起周期性磁拉力分量。這個分量通過主軸、轉輪等彈性體系，最終傳至漿葉上，從而改變漿葉的激振頻率，致使異常聲響的消失。
3）異常聲響是一個多因素的、復雜的、綜合成因，除上之外還有其它各種制約條件。
六、改進措施建議
根據(jù)以上的聲響起因分析，其形成有“必要和充分條件”，如要改變聲響的必要條件，也就是要消除脫流渦列，目前是不可能而且也不現(xiàn)實，但如改變聲響充分條件，也就是改變彈性系統(tǒng)的振動頻率，即可消除或避開聲響。任何聲音都是由物體振動所形成，而且有一個固有的振動頻率。機組的異常聲響，也是振動引起，由水流彈性系統(tǒng)和機械彈性系統(tǒng)組成比較復雜的多因素的振動系統(tǒng)，它也有固有振動頻率。本文設想改變漿葉的激振頻率，也就是通過改變機械彈性系統(tǒng)的振動頻率，同時改變水流彈性系統(tǒng)對漿葉的激振影響。
由于水力設計和結構制造已定型，難以改變水力設計，也難以改變結構來消除聲響。但根據(jù)水力機械的運行實踐經(jīng)驗，如對水流摻入適當?shù)目諝猓筛纳茲{葉尾部渦列的強度以及對漿葉的激勵振動；在水中滲進了空氣增加了水的彈性，會改變水輪機漿葉的激振頻率。鑒于城關電站機組聲響的特點和結構，建議利用已有的水輪機轉輪室漿葉前的測壓管接入高壓壓縮空氣（8KG/cm2），這種方法不涉及結構問題，也不危及運行安全。
鑒于已有四個測壓孔的直徑較小，補氣量可能有限，但本試驗只是為改變產(chǎn)生聲響的激振頻率，因此需用氣量并不會太大。這里需指出，在功能上與尾水管的真空破壞閥的補氣作用不同，并不是要破壞尾水管的真空，二者所需的氣量不可同語而言，本試驗的補氣必須在漿葉的的前部，而不是在漿葉之后的水流中。從機組并網(wǎng)空載運行時聲響自行消失的現(xiàn)象可看出，空載時電磁場所產(chǎn)生的不平衡磁拉力力也并不大（并網(wǎng)前后的機組轉動部件的振動和擺度都無明顯變化），由此可認為盡管測壓孔的孔徑較小，對試驗還是能滿足一定的要求，至少能有改善的趨勢。
采用上述試驗后，取得了較好效果，經(jīng)進一步采取改良措施，已解決異常聲響題。
一、水輪發(fā)電機組主要參數(shù)
水輪機：發(fā)電機
（1）型號：燈泡貫流式 GZ4BN28A-WP-490 （1）型號：SFWG16-60/5430
（2）主軸布置形式：臥軸、兩支點雙懸臂（2）額定電流：100 R/MIN
（3）轉輪直徑：D1=4.9m （3）額定電壓：6300V
（4）額定水頭： 8.8m （4）額定功率：1600KW
（5）額定出力: 1650KW （5）額定功率因素：0.9
（6）額定流量：206.1m3/S （6）額定轉速：100R/MIN
（7）最大飛逸轉速:348.7 R/MIN （7）額定頻率：50HZ
（8）最高效力：94.93%
（9）吸出高度：- 6.72m
（10）水輪機安裝高程：97m
二、機組的異常聲響
九九年十二月四日一號機進行首次啟動，當轉速達到84轉/分時，發(fā)現(xiàn)在轉輪室發(fā)出輕微的類似金屬的碰撞聲，聲響頻率與機組轉速同步，隨機組轉速上升，聲級隨之增加，轉速達到88~104轉/分時，異常聲響達到高峰，括擦聲淹蓋水流聲，轉速升至108轉/分以上，異常聲響又漸漸消失，機組轉動呈現(xiàn)正常狀態(tài)。
根據(jù)聲響癥狀，且與機組頻率一致的特點，當時認為是結構性的機械聲響，而且主要部位在轉輪室。然之進行流道檢查。檢查發(fā)現(xiàn)轉輪室的油漆有塊狀剝落，呈現(xiàn)金屬光澤面。在漿葉上方的轉輪室頂部，120度范圍內(nèi)，有類似磨擦痕跡，緊靠漿葉中心線下游方有一塊較大磨擦區(qū)，其余部分面積較小，轉輪室下底部也有較小的擦痕。此外，在漿葉的轉動區(qū)域外也有明顯的脫漆現(xiàn)象。
檢查轉輪漿葉外緣端面，也發(fā)現(xiàn)個別漿葉有類似磨擦癥象，判別為漿葉與轉輪室邊壁存在間隙磨擦。當即對漿葉出水邊的外緣進行局部打磨0.5mm 。機組再次充水空載啟動，但聲響依舊，無任何變化。轉輪室的油漆脫落面基本相同，只是面積大小、以及位置略有變化。
為探明周期性聲響的原因，繼而對水輪機的轉動部件，如：漿葉與轉輪連接螺絲、轉輪與主軸的連接螺絲、主軸密封等，凡可能造成機械松動或相碰磨擦的部位作了全面仔細的檢查及處理。而且在檢查過程中，采取了各種保證措施，排除并否定了機械性磨擦的因素。
機組繼續(xù)各項啟動程序試驗 ，測試值均符合標準規(guī)定。在做發(fā)電機短路試驗時，勵磁電流加至一定值后，機組的異常聲響突然消失。機組并入電網(wǎng)后（未帶負載），聲響也聚然停止，從感覺上與正常機組一樣。機組有無聲響時的擺度、振動無明顯變化，都在正常范圍內(nèi)。但是各監(jiān)視表計的指針有明顯顫抖現(xiàn)象，顫動頻率是否與聲響頻率一致，暫無法定論，但這與聲響應可能有必然的內(nèi)在聯(lián)系。
機組振動、擺度測量值：
組合軸承振動：0.01mm
水導軸承振動: 0.04mm
水導處大軸擺度: 0.10mm
轉輪室振動-----水平: 0.03mm 垂直: 0.04mm
三、機組聲響的成因探討及現(xiàn)象解釋
1、基本成因探討
通常，水輪機在空載運行時，常會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，除調速器品質之外，與水輪機的水
力方面因素有關，主要與葉型有關。一是葉片的扭角，二是葉柵稠密度。葉片扭角小，葉柵稠密度大的葉型，其空載運行穩(wěn)定性要好一些。貫流機的轉輪葉片數(shù)量相對較少（本機組是4葉片），葉柵稠密度較小，客觀上其空載運行的穩(wěn)定性較差。通俗解釋，也就由于漿葉比較稀疏，對水流的制約作用小，流經(jīng)漿葉的水流流態(tài)不是完全均衡，隨之產(chǎn)生水力不平衡。
一號機組在空載額定轉速下，手動改變漿葉的旋轉角，試圖改變協(xié)聯(lián)工況消除聲響，但沒有效果。由此可知，“非協(xié)聯(lián)工況”并不是空載時聲響的主要根源。水輪機在空載運行時，由于導葉開度很小，進入水輪機的水流偏離最優(yōu)工況較遠。從葉型上考慮，由于水力設計因素，流經(jīng)漿葉后的水流，形成周期性脈動紊流。該脈動紊流，既激振轉輪漿葉，又掃擊轉輪室邊壁，產(chǎn)生機組的異常聲響。這種連續(xù)的脈動紊流通常稱為“渦列”或“渦流”。
（A） 葉型渦列
葉型渦列是水流流經(jīng)葉片時發(fā)生脫流而引起的渦列，水輪機在非設計工況下運行葉片的繞流條件不良。此外，葉片出口邊邊界層從壁面分離，這兩者導致轉輪出口處形成脫流旋渦，旋渦在彈性葉片后面以非對稱的形式上下交錯地被釋放到尾流中，即構成渦列，見圖一。但這種渦列與常見的卡門渦列不完全相同。因為轉輪漿葉在轉動時，實際構成一組無限的移動
葉柵，轉輪在旋轉過程中，每一葉片的尾部水流都會被位于其后的旋轉葉片所切斷，亦即單個葉片的脫流要受到移動葉柵的影響。這種連續(xù)切斷尾流的結果，會加速脫流的形成速度，增強渦列的強度。
圖一 葉片的脫流和渦列示意圖
隨著渦列的不斷出現(xiàn)，同時產(chǎn)生垂直于流向的交變側向力，即不均衡的側向力，這種交變側向力作用于彈性葉片尾緣上。(注：對貫流式轉輪的葉片結構形狀，在力特性上，通常可作為一個彈性體考慮，就本電站機組的漿葉結構，尤顯單薄，比國內(nèi)生產(chǎn)的葉片在厚度上相對薄得多)。逐漸激起葉片尾部（漿葉出口邊）的振蕩，由于葉片尾部振蕩的反饋作用，葉片附近的水流受到
激發(fā)和擾動。這種受到激發(fā)和擾動的水流，又會反作用于葉片上，增加葉上的周期性脈動壓力，如此反復激勵，使渦列不斷增強，同時使葉片出口邊產(chǎn)生大幅振蕩。當某一葉片旋轉到某一位置，由于邊界條件的改變，受到激發(fā)和擾動的水流突然釋放積累能量，或葉片振蕩幅度發(fā)生突然變化，從而導致產(chǎn)生異常聲響。
葉型渦列，本身具有較大的水力能量，渦列中的水流質團是以高頻的不規(guī)則狀態(tài)進行運動，渦列中的水質體是一個高能質團，一旦渦列的邊界條件改變，就會以撞擊的形式釋放固有能量。如遇到轉輪室邊壁，亦可能發(fā)出類似金屬撞擊的聲響。
不論何種型式的水輪機，在非設計工況運行時，均會產(chǎn)生葉型渦列，但一般情況下，渦列脫離葉片后進入尾水管，并匯集成旋轉狀渦流帶。旋轉過程中可能不斷掃動尾水管邊壁，引起尾水管的壓力脈動和振動,同時也產(chǎn)生周期性的聲響。但在這一點上，城關機組的聲響與之有本質的區(qū)別。
尾水管內(nèi)的渦帶引起的振動具有以下特點：
A》渦列脫離葉片后匯集成運動渦帶，并具有一個正向環(huán)量，也就是有一個與葉片轉向相同的旋轉速度量，這個環(huán)量使渦帶形成螺旋狀流向下游，同時渦帶在旋轉過程中不斷掃動尾水管邊壁。
B》尾水管內(nèi)渦帶的掃動頻率相對較低，其周期與尾水管內(nèi)的壓力脈動基本相同。
據(jù)不完全統(tǒng)計，水輪機尾水管的壓力脈動頻率：
f S =（n H / 3）~（n H / 5）
城關電站機組的額定轉速為100轉/分。由些推算，尾管渦帶的脈動頻率的范圍約是33至20次/分，明顯低于轉輪室實際聲響頻率，故可確定異常聲響并非是由于尾水管壓力脈動引起。在理論上，城關電站水輪機的聲響與通常水輪機尾水管的壓力脈動聲響，都起源于葉型渦列，起源機理相似，但城關電站機組的反映現(xiàn)象、造成結果方面有質的區(qū)別。
本文認為漿葉出水邊的渦列作用是機組的異常聲響的基本根源。這些渦列在尚未進入尾水管形成低頻旋轉渦帶前，由于漿葉振幅突變、或渦列掃擊轉輪室邊壁時產(chǎn)生異常聲響，由此產(chǎn)生的聲響頻率是與機組轉速相同。當轉速為88~104轉/分時，“產(chǎn)生渦列---葉片激振----強化渦列”的相互作激勵程度最強，聲響噪音最強。
從各種跡象推測，機組在額定空轉狀態(tài)時，估計四個漿葉中的一個葉片或二個葉片所產(chǎn)生的組合渦列為主導作用，否則聲響頻率將是機組轉速的倍數(shù)關系，僅憑聽覺難以區(qū)別。
（B）間隙渦列
根據(jù)實踐運行表明，在葉片外緣與轉輪室之間的縫隙區(qū)域，其流態(tài)也是水輪機中最為不利的部位之一。曾對幾種間隙形狀進行了研究。并繪出了軸流式（同貫流式）轉輪漿葉端部間隙形狀和壓力分布及流態(tài)曲線，如圖二所示：
圖二 貫流式漿葉端間隙形狀和流態(tài)、壓力分布示意圖
圖中（a）的A型間隙的斷面形狀不佳，在間隙進口處，因水流突然收縮，壓力急劇下降，引起進口部分的強烈擾動及氣蝕破壞。在間隙出口處，因水流突然擴散，引起脫流旋渦。而且在旋渦未遠離之前，直接作用于葉片出口邊壁和轉輪室邊壁，引起水力脈動和氣蝕破壞。城關機組漿葉與轉輪室間隙采用A型間隙。
圖中（B）的B型間隙，也會產(chǎn)生很大的壓力降。因其流道出口為擴散形，在出口處也會產(chǎn)生脫流旋渦引起出口處的水力脈動和氣蝕。
圖中（C）的C型間隙形狀有較佳的流態(tài)和間隙壓力分布，因進口有較大的半徑的園弧，可以避免水流突然收縮引起的壓力急劇下降，而平直的出口間隙可使可使出口脫流旋渦遠離葉片邊壁和轉輪室邊壁。
2、基本現(xiàn)象分析
為查找聲響原因的過程中，機組曾多次啟動、多次流道檢查。對所謂的磨擦區(qū)，即油漆剝落區(qū)的分布進行仔細觀察，雖然每次脫落的具體位置并不完全重復，而變化不大。在分布上也有一個顯著的特點，集中在轉輪室的上方，在下部是小面積的星狀分布。而且所有的油漆脫落區(qū)大都在漿葉空載開度時的投影區(qū)平面內(nèi)（稍靠下游側），而在漿葉轉動范圍以外的區(qū)域，也有局部較大的油漆剝落現(xiàn)象。
經(jīng)仔細觀察，漆膜是成斷裂狀掉落，油漆的邊界明顯，邊界基本上由相互垂直的短直線段組成，且無被削薄的跡象。此外，對油漆脫落后的金屬表面仔觀察，發(fā)現(xiàn)金屬呈現(xiàn)新鮮光澤，工廠內(nèi)的機加工刀痕清淅可辨，無任何刮擦、劑壓或微小變形現(xiàn)象，周圍漆層表面未發(fā)現(xiàn)有機械性的撞擊痕跡。脫漆邊界放大示意如圖三所示。
圖三 脫漆邊界放大示意圖
由此判斷，脫漆現(xiàn)象主要是間隙渦列產(chǎn)生的間隙氣蝕作用，其次是葉型渦列撞擊轉輪室時將漆膜擊落。從圖二（A）中看出，水流經(jīng)漿葉間隙，在間隙后部產(chǎn)生一個負壓區(qū)，但漿葉是在連續(xù)轉動，當漿葉未掃過時的壓力又是較高的正壓，這樣使漆膜受到交變壓力的作用，致使漆膜與金屬表面脫開。尤其是在負壓的作用下將漆層拉斷吸落。另外由于葉型外緣的渦列作用，不斷掃擊轉輪室邊壁，也加速漆膜的脫落。由于漆膜的脆性，及機械加工刀痕的影響，所以脫漆邊界大都是與刀痕方向平行或垂直。
由于機組運行時間較短，因此只是暴露出金屬表面，間隙氣蝕的破壞后果尚未顯露。至于只發(fā)生在轉輪室上部的原因，在產(chǎn)生間隙渦列的同時也產(chǎn)生間隙氣蝕，由于臥式燈泡貫流機組，因直徑較大，轉輪上部與下部的淹沒深度差別顯著，轉輪室上部的氣蝕性能較下部差得多，因此上部的間隙氣蝕破壞為烈。
3、在漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁脫漆現(xiàn)象
圖四 轉輪室球形狀示意圖
在機組的檢查過程中，漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁有星狀的掉漆現(xiàn)象。主要應從貫流機組結構，尤其是轉輪室形狀進行分析。主要是轉輪室與漿葉的轉動區(qū)為球形狀，漿葉與轉輪室間隙產(chǎn)生渦列，隨水流后移，部份渦列直接撞到轉輪室的后部，從而產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。漿葉出水邊外緣產(chǎn)生的渦列出于同樣原因，也會造成漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁產(chǎn)生落漆現(xiàn)象。
4、氣蝕聲響與異常聲響的關系
氣蝕在形成的機理上是一種復雜的物理、化學現(xiàn)象，同時與水的汽化壓力和水中空氣含量、水的表面張力等因素有關。嚴重的氣蝕會破壞水輪機轉輪和尾水管等過流部件，并在尾水管內(nèi)產(chǎn)生強烈的周期性噪聲和振動，使水輪機運行不穩(wěn)定。
但從城關電站機組異常聲響的特征判別，并不是由于氣蝕所產(chǎn)生，而是不平衡脫流渦列所造成，氣蝕與異常聲響之間不存在直接的因果關系，氣蝕所造成的破壞是微觀量的破壞，氣泡破裂撞擊金屬表面是隨機性的，因此所產(chǎn)生的聲響也是無規(guī)則的。
四、異常聲響與發(fā)電機電磁埸的關系
一號機在啟動程序試驗過程中，發(fā)現(xiàn)一個特殊現(xiàn)象，當發(fā)電機做短路試驗，勵磁電流達到一定值時、或機組并網(wǎng)后，異常聲響聚然消失。這說明電磁埸對機組的異常聲響有著直接的關系。
水輪發(fā)電機組根據(jù)物理性能可分為四個系統(tǒng)：
1，水流系統(tǒng) 2，機械轉動系統(tǒng)（彈性振動系統(tǒng)） 3，機械固定系統(tǒng) 4，電磁系統(tǒng)
機組的轉動部分，包括轉子、主軸、轉輪、漿葉等。由于其相對剛度較低，在實際上是一個彈性振動系統(tǒng)。
由于水流所激發(fā)的機組的各種機械性振動（或異常聲響），其特點是振動體的一部分或全部位于流體中，因而它不是一個孤立的機械系統(tǒng)。也就是說，在產(chǎn)生振動過程中，流體與振動體以及電磁埸之間存在相互作用，相互影響。因此，只有將（水體—彈性振動系統(tǒng)—電磁）三者作為關連系統(tǒng)來研究，才能反映問題的本質，才能解釋機組加上勵磁電流后異常聲響消失的原因。
在理論上以及實際運行中，以下情況可造成電氣方面的機組振動：
1）周期性磁拉力分量；
2)轉子與定子之間有不均勻的氣隙引起的作用力；
3) 轉子短路時引起的作用力；
4) 發(fā)電機在不對稱負荷下運行時產(chǎn)生的力；
但對于城關電站機組而言，電氣方面的因素并非造成機組的振動，而是以上第1）及2）條因素，對水輪機彈性系統(tǒng)和水流系統(tǒng)的振動頻率產(chǎn)生干擾作用。改變了在84~108轉速下，漿葉的激振頻率，從而改變了異常聲響的形成條件。
圖五 水流埸、機組、電磁埸作用方框圖
水流埸、機組、電磁埸三者相互影響的關系如方框圖所示：
u -水流流速； pw -流體動壓力； pm -電磁拉力； e -干擾特性與響應
五、異常聲響主導因素小結
通過以上分析，城關電站機組的異常聲響的主導成因可歸納為：
1）由于水輪機的導葉和漿葉處于小開度時，水輪機運行工況點遠離設計工況點，漿葉出口處產(chǎn)生葉型渦列，渦列與彈性漿葉相互激勵，并使?jié){葉達到較大的振幅值，一旦邊界條件改變或外部因素的干擾，導致振幅突變，從而發(fā)出聲響。
2）由于的轉子與定子之間的氣隙不均勻，當轉子通入勵磁電流后，引起周期性磁拉力分量。這個分量通過主軸、轉輪等彈性體系，最終傳至漿葉上，從而改變漿葉的激振頻率，致使異常聲響的消失。
3）異常聲響是一個多因素的、復雜的、綜合成因，除上之外還有其它各種制約條件。
六、改進措施建議
根據(jù)以上的聲響起因分析，其形成有“必要和充分條件”，如要改變聲響的必要條件，也就是要消除脫流渦列，目前是不可能而且也不現(xiàn)實，但如改變聲響充分條件，也就是改變彈性系統(tǒng)的振動頻率，即可消除或避開聲響。任何聲音都是由物體振動所形成，而且有一個固有的振動頻率。機組的異常聲響，也是振動引起，由水流彈性系統(tǒng)和機械彈性系統(tǒng)組成比較復雜的多因素的振動系統(tǒng)，它也有固有振動頻率。本文設想改變漿葉的激振頻率，也就是通過改變機械彈性系統(tǒng)的振動頻率，同時改變水流彈性系統(tǒng)對漿葉的激振影響。
由于水力設計和結構制造已定型，難以改變水力設計，也難以改變結構來消除聲響。但根據(jù)水力機械的運行實踐經(jīng)驗，如對水流摻入適當?shù)目諝猓筛纳茲{葉尾部渦列的強度以及對漿葉的激勵振動；在水中滲進了空氣增加了水的彈性，會改變水輪機漿葉的激振頻率。鑒于城關電站機組聲響的特點和結構，建議利用已有的水輪機轉輪室漿葉前的測壓管接入高壓壓縮空氣（8KG/cm2），這種方法不涉及結構問題，也不危及運行安全。
鑒于已有四個測壓孔的直徑較小，補氣量可能有限，但本試驗只是為改變產(chǎn)生聲響的激振頻率，因此需用氣量并不會太大。這里需指出，在功能上與尾水管的真空破壞閥的補氣作用不同，并不是要破壞尾水管的真空，二者所需的氣量不可同語而言，本試驗的補氣必須在漿葉的的前部，而不是在漿葉之后的水流中。從機組并網(wǎng)空載運行時聲響自行消失的現(xiàn)象可看出，空載時電磁場所產(chǎn)生的不平衡磁拉力力也并不大（并網(wǎng)前后的機組轉動部件的振動和擺度都無明顯變化），由此可認為盡管測壓孔的孔徑較小，對試驗還是能滿足一定的要求，至少能有改善的趨勢。
采用上述試驗后，取得了較好效果，經(jīng)進一步采取改良措施，已解決異常聲響題。
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