水轮机转轮振动及叶片裂纹分析

[摘 要]通过对水电站水轮机转轮振动特性总结，分析水轮机转轮振动及水轮机叶片裂纹原因，提出对水轮机转轮运行的维护措施，保障水电站水轮机的正常运转，提高工作效率与经济效益。

[关键词]水轮机 转轮振动 叶片裂纹 维护措施

中图分类号：TK730 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0172-01

引言

水轮机是水电站发电的重要设备。在水电站中，上游水库中的水通过引水管浸入水轮机，水轮机转动，带动发电机工作，把动能转化为电能。所以，水电站水轮机设备的运行是否正常，直接影响水电站的正常生产。因此，对水轮机转轮振动及叶片裂纹原因分析，总结水轮机工作的维护措施，从而保证水电站的正常生产，确保经济效益。

1 水电站水轮机转轮振动原因分析

水轮机转轮产生振动的原因有很多，有机械振动、水力振动、汽蚀振动、频率共振、轴承损坏振动等多种因素造成，笔者结合自己所在的三板溪水力发电厂遇到的水轮机转轮振动原因，从水力因素、机械因素、频率共振等三个方面进行重点分析：

1.1 水力因素

振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性，且当机组处在非设计工况或过渡工况运行时，因水流状况恶化，机组各部件的振动亦明显增大。由于单位体积水流的能量取决于水头，所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱。三板溪水力发电厂最大水头156.5m，额定功率为256.5MW，高水头、低负荷时振动相对而言较为严重。

产生振动的水力因素主要有：卡门涡列、尾水管低频水压脉动、水力不平衡等。

（1）卡门涡列。

恒定流束绕过物体时，在出口边的两侧出现漩祸，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，形成非线型的涡列、俗称卡门涡列当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时，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。

（2）尾水管低频水压脉动

水轮机在非设计工况下运行时，由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响，在尾水管内常引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后，涡带以近于固定的频率在管内转动，引起水流低频压力脉动。当管内水流一经发生，压力脉动就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。

（3）水力不平衡

水力不平衡是水力因素中最显着的一点，也是最突出的一点。水是液态的，其所产生的力也是变化不定的，其对水利发电机所造成的力就会不平衡，尤其对于发电机中的转轮来说。水的力大多与其自身的流速有关，但是水的流速不是很稳定的，不同的季节，不同的时段，其流速也是会有所不同的，因此其产生的力就相对于转轮来说就不会太稳定，从而造成转轮振动。

1.2 机械因素

针对三板溪水电厂的HLA855-LJ-505水轮机，作为哈电设计的混流式水轮机，其转轮型号为A855，转轮直径为505cm，从机械因素方面分析水轮异常振动有：

（1）发电机的转子与水轮机的转轴中心不重合。

（2）发电机组基座松动，或地基不坚实，发生不均匀沉陷。

（3）水轮机水导轴承出现故障

1.3 频率共振

水轮机在运行的过程中，空载、重载等不同的运行情况其水力激振频率的频谱会有较大差别，如果转轮在水中的固有频率与某一激振频率涡合就会产生共振，引起振幅增大，造成转轮振动剧烈。

2 水电站水轮机叶片裂纹分析

水轮机叶片裂纹的原因主要有以下几个方面：

2.1 水轮机转轮叶片老化严重

众所周知，任何机械设备都是有使用期限的，如果设备老化到一定程度，必然后出现损坏，尤其是对水轮机转轮叶片来说，其与水压发生作用与反作用力，易产生裂纹。

2.2 水轮机转轮叶片制造材质、加工过程存在问题

水轮机转轮叶片主要材质是钢，如果原材料质量不过关，加工制造的叶片也容易产生裂纹。如果在叶片锻造过程中，锻造工艺不过关，有气泡存在与叶片之中，那气泡存在位置就是个隐患源，叶片就会在这个隐患处出现裂纹。

2.3 转轮振动过大造成叶片裂纹出现

1.尾水管涡带所产生的，以低于转速频率来表现的转轮振动剧烈造成叶片裂纹。

2.某些中、高混流式转轮的下止漏环配置不当也会诱发接近转速频率的自激振动造成叶片裂纹。

3.至于叶片出水边形状欠佳所产生的卡门涡振，频率很高会使叶片产生裂纹影响转轮使用寿命

3 水轮机转轮振动及叶片裂纹的维护措施

3.1 水轮机转轮轴承损坏造成振动剧烈，

水轮机轴承有导轴承和推力轴承，导轴承对立轴水轮机来讲，是防止机组旋转摆动或振动，保证轴心稳定。推力轴承，承受转轮轴向推力。其影响轴承温度剧升原因有：轴承安装质量差或轴承磨损;油标号不符或油质恶化;油系统故障供油不正常;冷却水系统故障冷却水中断;其它原因使机组振动等。

维护措施：（一）对于水的轴承，用的水要严格过滤，保证水质，水中不能含有大量泥沙和油类物质，减少对轴承的磨损和橡胶的老化。（二）稀油当前一般采用自循环，采用甩油环和推力盘，本身由机组转动而自循环供油。自循环运行要严密注视甩油环的工作状况，不允许有卡住现象，对推力盘供油状况以及油箱的油面水平。（三）干油的轴承，要注意干油（脂）的规格是否与轴承用油相符，油质是否良好，定时加油，保证轴承空隙三分之一～五分之二为宜。（四）保证轴承严密，防止压力水及灰尘进入轴承内。（五）滑动轴承（轴瓦）的安装间隙与轴瓦的单位压力、旋转线速、方式、油的粘度、主轴隙取安装精度、机组允许振动及摆度有关，不能任意增大或缩小。

3.2 结合水轮机实际运行情况进行维护

根据水轮机转轮振动的原因进行分析，如我们常说的水导振动大，也就说明盘车数据不合格，推力头镜板和推力瓦之间不平行。一般采用处理镜板与推力头之间的绝缘垫，使之达到平衡。以转速250转的机组为例：一般在水导处，不超过35丝 。水导振动大带大负荷运行，实质上是使机组避开振动最大区域。让转轮腔内充满水，对叶片向下的冲击力变大，从而使转轮的左右摆动减小，达到减少振动的目的，属于运行时不允许停机处理轴线的情况。

3.3 制定岗位操作规程，要求岗位司机人人掌握

水轮机开机前为避免转轮振动造成叶片裂纹，因进行以下步骤确认：（一）校正水轮机与发电机连接好，保证平稳。（二）检查蜗壳内有无杂物以及导叶损坏情况。（三）严格控制不能在低水头、低负荷时运行。（四）保证尾水淹没深度，深度不得少于300毫米。

4 结论

水轮机是发电机机组的核心设备，保证水轮机的正常运行，是工作中的重中之重。通过不断摸索完善，在保证设备检修质量的情况下，合理安排发电负荷，优化运行方式及水头区间，可以降低水轮机振动，减少叶片裂纹发生。

参考文献：

[1]曹剑绵，陈昌林 大型水轮机转轮异常振动及叶片裂纹分析 东方电机股份有限公司研究试验中心 四川 德阳 618000

[2]刘文章 水轮机转动振动特征及对应措施的探讨 四川电力职业技术学院 四川成都 611133