丰海水电站水轮机运行振动及异常噪声原因分析与处理

１ 电站概况及主要设备参数
１ ． １ 电站概况 丰海水电站位于福建省永安市曹远镇丰海村境 内九龙溪干流上， 为低水头径流式水电站， 河床式厂 房， 水库正常蓄水位 １ ９ ０ ． ５ ｍ ， 为日调节水库， 电站 安装 ２台单机容量为 １ ５ ． ０ Ｍ Ｗ 的灯泡贯流式水轮 发电机组。
收稿日期： ２ ０ １ １－ ０ ８－ １ ２
３ 机组振动及噪声形成机制
分析水轮发电机组异常振动和噪声形成的原 因， 主要有机械、 电磁和水力 ３个方面。 ３ ． １ 机械因素 机械方面的因素有： 水轮机、 发电机设计结构或 制造质量存在缺陷， 安装调试质量较差， 如由于主轴 弯（ 挠） 曲、 轴线折线， 推力轴承调整不良， 导轴承间 隙过大， 主轴法兰连接不紧和机组对中心不准等引 起空载低转速时的振动； 转轮等旋转件与静止件发 生刮碰引起振动加剧并伴有声响。转动部分质量不 平衡引起振动的典型特征是机组振动幅度随机组转 速的上升而增大， 而与负荷无关。 机械因素引起振动的共同特征是， 振动频率等 于机组的转动频率或整数倍的机组转动频率。 ３ ． ２ 电磁因素 引起电磁振动的主要因素有转子绕组短路、 空 气间隙不均匀等， 其特征是机组的振动幅度随发电 机励磁电流的增大而增大。 转子绕组短路引起的转子振动大小取决于失去 作用的线圈匝数， 其振动的振幅与励磁电流有关， 励 磁电流增加， 振幅增大。当去掉励磁电流， 振动立即 消失， 所以， 很容易把这种振动和其他原因产生的振
０ 引言
近年来， 随着国内一大批低水头、 大流量径流式 水电站的开发建设和灯泡贯流式水轮发电机组的广 泛使用， 一些机组先后出现了异常振动和噪声较大的 现象， 危害机组的安全运行并限制了机组正常出力。 由于灯泡贯流式水轮机组具有结构复杂、 尺寸 较大、 部件刚度相对较弱和固有频率低等特点， 更增 加了机组运行时发生局部共振的可能性。水轮发电 机组运行中发生较大的异常振动， 轻则产生异常噪 声， 重则使机组运行效率降低和影响机组出力， 甚至 导致机组结构受到破坏， 危及机组安全运行。 水轮发电机组出现异常振动和噪声， 多是由机 械、 电磁和水力 ３个方面的因素引起和造成。机组 运行中的振动和噪声作为一种不可能完全避免和消 除的现象， 往往是由机组设备在设计、 制造、 安装、 检 修和运行过程中的诸多不当或缺陷引起的。所以， 对灯泡贯流式水轮发电机组运行中的异常振动和噪 声问题， 进行分析、 判定和处理， 对解决水力机组振 动问题， 确保机组的安全、 可靠运行和延长机组正常 使用寿命具有重要意义。
当发电机转子不圆或有摆度时， 空气间隙就会 产生不均匀， 从而产生单边的不平衡磁拉力， 随着转 子的旋转而引起空气间隙周期性变化， 单边不平衡 磁拉力沿着圆周作周期性移动， 引起机组振动。 ３ ． ３ 水力因素 产生振动的水力因素主要有水力不平衡、 尾水 管低频水压脉动、 空腔气蚀、 卡门涡列、 间隙射流等。 其特征是带有随机性， 且当机组在非设计工况或过 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。
２ 运行异常振动及噪声
丰海水电站首台机组自 ２ ０ ０ ５年 ５月 １日首次 ０ ０ ５年 ６月 １ ８日和 １ １月 １ ８日 ２台机组 启动， 至２ 先后并网投入发电试运行期间， 一直受到机组异常
·５ ０ · 动区分开来。
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第３ ４卷
也出现了异常声响。从转轮前压力值变化与异常声 响的关系看， 这种声响与空化、 空蚀有关。转轮室的 异常声响出现后， 机组构件 ４倍转频的振动也明显 增大， 这说明转轮室的异常声响极有可能是水力引 起的空蚀振动噪声。初步判断机组的振动与水轮机 转轮叶片开口不均匀而引起转轮圆周水力不平衡 有关。 甘肃省电力科学研究院的上述试验结论， 进一 步证明安装单位关于机组振动原因判断的正确性。 ４ ． ３ ． ３ 结论性意见 经建设单位、 组织安装单位、 设备制造厂和电力 科学研究院及相关行业专家， 共同对可能使机组产 生振动和噪声的原因进行进一步的分析和讨论， 最 终达成以下共识： （ １ ） 水轮机转轮叶片实际加工型线与设计理论 型线之间的偏差可能过大； （ ２ ） 水轮机转轮叶片外缘裙边与转轮室间隙可 能存在间隙涡列现象， 引发水力脉动和气蚀破坏， 从 而引起机组振动； （ ３ ） 水轮机转轮开口可能不均匀， 导致导叶水 流与转轮叶片进、 出口的水流产生扰流 机械因素的排除 安装单位对停机机组各项安装数据进行复测并 与原始数据进行对比， 未见有明显变化， 各项指标均 在厂家、 规范和标准技术要求内， 未发现有超标准和 超规范现象。而且， 同时期其他单位安装的同型机 组也存在同样的问题， 故基本排除安装原因使机组 产生振动和噪声的可能性。 从机组机械因素引起振动频率等于机组的转动 频率或整数倍的机组转动频率特征和现场定桨变导 叶试验和动平衡试验结果分析， 可以排除机械因素 使机组产生振动和噪声的可能性。 ４ ． ２ 电磁因素的排除 根据机组电磁因素引起振动的幅度随发电机励 磁电流的增大而增大的特征和现场变负荷试验、 升 降负荷试验和配重后变负荷试验结果分析， 基本排 除电磁因素引起机组振动和噪声的可能性。 ４ ． ３ 水力因素分析 ４ ． ３ ． １ 安装单位试验分析意见 根据机组运行振动、 噪声现象和通过振动信号 频谱分析， 转轮室受到冲击碰撞的频率为 ９ ． ０ ９ Ｈ ｚ ， 与转频和转轮叶片数的乘积（ １ ３ ６ ． ４ ／ ６ ０× ４＝ ９ ． ０ ９ （ Ｈ ｚ ） ） 一致， 而且同期由其他单位安装的同型机组 也存在同样问题。安装单位认为： 机组产生振动、 噪 声可能与转轮叶片附近水流水力学因素有关， 怀疑 系转轮叶片的设计选型和制造精度存在不足所致。 ４ ． ３ ． ２ 第三方试验结论 甘肃省电力科学研究院在现场试验后指出： 运 行实践证明， 当水轮机桨叶开度达到和超过 ４ ０ ％， 即功率超过 １ ０ ． ０ Ｍ Ｗ 时， 转轮室就出现异常声响。 而从振动试验数据分析， ２机组在 ４ ． ０ Ｍ Ｗ 附近和 １ ０ ． ０ Ｍ Ｗ 以上工况运行时， 振动、 摆动和水压脉动值 ０ ． ０ Ｍ Ｗ 以上工况运行时， 振动、 摆 比较大， 而且在 １ 动和水压脉动值随开度的增大显著增大， 转轮室里
１ ． ２ 机组主要参数 水轮机主要参数： 水轮机形式， 灯泡贯流式； 水 Ｇ Ｚ Ａ ６ ８ ４－ ＷＰ－ ４ ４ ０ ； 转轮直径， ４ ． ４ ｍ ； 桨 轮机型号， 叶数目， ４个； 额定水头， ９ ． ９ ０ ｍ ； 最大水头， １ ４ ． ３ ０ ｍ ； 最小水头， ３ ． ２ ３ ｍ ； 额定输出功率， １ ５ ． ５ ０Ｍ Ｗ； 额定
３ １ ３ ６ ． ４ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ； 额定流量， １ ３ ６ ． ９ ５ｍ ／ ｓ ； 飞逸转 转速，
速， ４ ０ ０ ． ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ； 旋转方向， 从发电机端向下游方向 看为顺时针； 旋转方向， 从发电机端向下游方向看为 顺时针； 轴向水推力， ２ ０ ６ ０ ｋ Ｎ （ 正向） ， ２ ０ ６ ０ ｋ Ｎ （ 反 ４ ０ ｔ 。 向） ； 质量， 约２ 发电机主要参数：发电机型号， Ｓ Ｆ ＷＧ １ ２－ ４ ４ ／ ４ ５ ９ ０ ； 额定容量， １ ５Ｍ Ｗ； 额定电压， ６ ． ３ｋ Ｖ ； 额定电 流， １ ５ ２ ７ Ａ ； 额定功率因数， ０ ． ９ （ 滞后） ； 额定频率， ５ ０ Ｈ ｚ ； 质量， 约１ ９ ０ ｔ 。 １ ． ３ 机组结构及特点 １ ． ３ ． １ 机组布置形式 丰海水电站机组采用转轮轴线卧轴水平布置， 水轮机和发电机共用 １根主轴， 两端分别与转轮和 转子直接连接。发电机被安置在完全封闭的灯泡体 内， 发电机定子机座通过螺栓与水轮机管形座内壳 上游侧法兰连接， 管形座下游侧法兰与导水机构内 配水环相连， 管形座外壳上游侧与流道盖板相连， 下 游侧与导水机构外配水环相连。 水轮发电机组支撑通过管形座自身的流线型 上、 下支柱（ 即管形座固定导叶） 固定在砼流道基础 上， 发电机侧下部的支撑和水平的防振支撑为辅助 支撑方式。管形座上、 下支柱（ 固定导叶） 同时也是 机组的上、 下通道， 灯泡头上设有进人竖井， 转轮室 上、 下部分别设有检修进人门。 转轮室为悬臂结构， 与尾水管间设有伸缩节。 尾水里衬上游侧与转轮室相连， 下游侧与砼尾水管 相连。
振动和噪声的困扰。经安装单位现场多次试验， 异 常振动及噪声始终无法消除， 其主要表现为： １ ） 机组自动开机， 桨叶开度为 ４ ５ ． ２ ％， 导叶开 （ 度为 ６ ３ ． ４ ％时， 转轮室开始出现异常响声； 桨叶开度 增大至 ９ ２ ． ７ ％、 导叶开度增大至 ７ ６ ． ９ ％时， 异常响声 ７ ． ２ ％时， 消失。当机组手动开机， 桨叶开度固定在 ８ 随着导叶开度的增大， 机组出力增加， 导叶开度增大 至７ ５ ． ０ ％时， 机组出力达到最大值 １ ３ ． ８ ０ Ｍ Ｗ， 随后机 组的出力随导叶开度的增大而呈下降趋势， 且机组水 导处摆度值随出力下降呈上升趋势。 （ ２ ） 当机组转速提高至额定转速的 １ ２ ０ ． ０ ％ 时， 振动消失。 ３ ） 通过振动信号频谱分析表明： 转轮室受到 （ 冲击碰撞的频率为 ９ ． ０ ９ Ｈ ｚ ， 与转频和转轮叶片数的 １ ３ ６ ． ４ ／ ６ ０× ４＝ ９ ． ０ ９ （ Ｈ ｚ ） ） 一致。 乘积（ 丰海水电站委托甘肃省电力科学研究院现场进 行以下试验： 第１ ， 第 ２次变负荷试验； 升降负荷和 定桨变导叶试验； １次补气试验； 动平衡试验和配重 后变负荷试验； 第 ２次定桨和补气试验后。试验结 果显示： 机组在 １ ０ ． ０ Ｍ Ｗ 以上工况运行时， 振动、 摆 动和水压脉动值随开度的增大而显著增大， 转轮室 内出现异常声响， 机组构件 ４倍转频振动明显增大。 异常声响不是转轮叶片与转轮室碰磨的声音。
第 ３ ４卷 第 ７期 ２ ０ １ ２年 ７月
华电技术 Ｈ ｕ ａ ｄ ｉ ａ ｎＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
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丰海水电站水轮机运行振动及异常噪声 原因分析与处理