图二 贯流式浆叶端间隙形状和流态、压力分布示意图

     图中(a)的A型间隙的断面形状不佳,在间隙进口处,因水流突然收缩,压力急剧下降,引起进口部分的强烈扰动及气蚀破坏.在间隙出口处,因水流突然扩散,引起脱流旋涡.而且在旋涡未远离之前,直接作用于叶片出口边壁和转轮室边壁,引起水力脉动和气蚀破坏.城关机组浆叶与转轮室间隙采用A型间隙.

    图中(B)的B型间隙,也会产生很大的压力降.因其流道出口为扩散形,在出口处也会产生脱流旋涡引起出口处的水力脉动和气蚀.

    图中(C)的C型间隙形状有较佳的流态和间隙压力分布,因进口有较大的半径的园弧,可以避免水流突然收缩引起的压力急剧下降,而平直的出口间隙可使可使出口脱流旋涡远离叶片边壁和转轮室边壁.

    2、基本现象分析

     为查找声响原因的过程中,机组曾多次启动、多次流道检查.对所谓的磨擦区,即油漆剥落区的分布进行仔细观察,虽然每次脱落的具体位置并不完全重复,而变化不大.在分布上也有一个显著的特点,集中在转轮室的上方,在下部是小面积的星状分布.而且所有的油漆脱落区大都在浆叶空载开度时的投影区平面内(稍靠下游侧),而在浆叶转动范围以外的区域,也有局部较大的油漆剥落现象.

     经仔细观察,漆膜是成断裂状掉落,油漆的边界明显,边界基本上由相互垂直的短直线段组成,且无被削薄的迹象.此外,对油漆脱落后的金属表面仔观察,发现金属呈现新鲜光泽,工厂内的机加工刀痕清淅可辨,无任何刮擦、剂压或微小变形现象,周围漆层表面未发现有机械性的撞击痕迹.脱漆边界放大示意如图三所示.

    

     图三 脱漆边界放大示意图

     由此判断,脱漆现象主要是间隙涡列产生的间隙气蚀作用,其次是叶型涡列撞击转轮室时将漆膜击落.从图二(A)中看出,水流经浆叶间隙,在间隙后部产生一个负压区,但浆叶是在连续转动,当浆叶未扫过时的压力又是较高的正压,这样使漆膜受到交变压力的作用,致使漆膜与金属表面脱开.尤其是在负压的作用下将漆层拉断吸落.另外由于叶型外缘的涡列作用,不断扫击转轮室边壁,也加速漆膜的脱落.由于漆膜的脆性,及机械加工刀痕的影响,所以脱漆边界大都是与刀痕方向平行或垂直.

     由于机组运行时间较短,因此只是暴露出金属表面,间隙气蚀的破坏后果尚未显露.至于只发生在转轮室上部的原因,在产生间隙涡列的同时也产生间隙气蚀,由于卧式灯泡贯流机组,因直径较大,转轮上部与下部的淹没深度差别显著,转轮室上部的气蚀性能较下部差得多,因此上部的间隙气蚀破坏为烈.

    3、在浆叶转动区外的转轮室边壁脱漆现象

    

    图四 转轮室球形状示意图

     在机组的检查过程中,浆叶转动区外的转轮室边壁有星状的掉漆现象.主要应从贯流机组结构,尤其是转轮室形状进行分析.主要是转轮室与浆叶的转动区为球形状,浆叶与转轮室间隙产生涡列,随水流后移,部份涡列直接撞到转轮室的后部,从而产生落漆现象.浆叶出水边外缘产生的涡列出于同样原因,也会造成浆叶转动区外的转轮室边壁产生落漆现象.

    4、气蚀声响与异常声响的关系

     气蚀在形成的机理上是一种复杂的物理、化学现象,同时与水的汽化压力和水中空气含量、水的表面张力等因素有关.严重的气蚀会破坏水轮机转轮和尾水管等过流部件,并在尾水管内产生强烈的周期性噪声和振动,使水轮机运行不稳定.

     但从城关电站机组异常声响的特征判别,并不是由于气蚀所产生,而是不平衡脱流涡列所造成,气蚀与异常声响之间不存在直接的因果关系,气蚀所造成的破坏是微观量的破坏,气泡破裂撞击金属表面是随机性的,因此所产生的声响也是无规则的.

    四、异常声响与发电机电磁埸的关系

     一号机在启动程序试验过程中,发现一个特殊现象,当发电机做短路试验,励磁电流达到一定值时、或机组并网后,异常声响聚然消失.这说明电磁埸对机组的异常声响有着直接的关系.

    水轮发电机组根据物理性能可分为四个系统:

    1,水流系统 2,机械转动系统(弹性振动系统) 3,机械固定系统 4,电磁系统

    机组的转动部分,包括转子、主轴、转轮、浆叶等.由于其相对刚度较低,在实际上是一个弹性振动系统.

     由于水流所激发的机组的各种机械性振动(或异常声响),其特点是振动体的一部分或全部位于流体中,因而它不是一个孤立的机械系统.也就是说,在产生振动过程中,流体与振动体以及电磁埸之间存在相互作用,相互影响.因此,只有将(水体—弹性振动系统—电磁)三者作为关连系统来研究,才能反映问题的本质,才能解释机组加上励磁电流后异常声响消失的原因.

    在理论上以及实际运行中,以下情况可造成电气方面的机组振动:

    1)周期性磁拉力分量;

    2)转子与定子之间有不均匀的气隙引起的作用力;

    3) 转子短路时引起的作用力;

    4) 发电机在不对称负荷下运行时产生的力;

     但对于城关电站机组而言,电气方面的因素并非造成机组的振动,而是以上第1)及2)条因素,对水轮机弹性系统和水流系统的振动频率产生干扰作用.改变了在84~108转速下,浆叶的激振频率,从而改变了异常声响的形成条件.

    

    图五 水流埸、机组、电磁埸作用方框图

    水流埸、机组、电磁埸三者相互影响的关系如方框图所示:

    u -水流流速; pw -流体动压力; pm -电磁拉力; e -干扰特性与响应

    五、异常声响主导因素小结

    通过以上分析,城关电站机组的异常声响的主导成因可归纳为:

    1)由于水轮机的导叶和浆叶处于小开度时,水轮机运行工况点远离设计工况点,浆叶出口处产生叶型涡列,涡列与弹性浆叶相互激励,并使浆叶达到较大的振幅值,一旦边界条件改变或外部因素的干扰,导致振幅突变,从而发出声响.

    2)由于的转子与定子之间的气隙不均匀,当转子通入励磁电流后,引起周期性磁拉力分量.这个分量通过主轴、转轮等弹性体系,最终传至浆叶上,从而改变浆叶的激振频率,致使异常声响的消失.

    3)异常声响是一个多因素的、复杂的、综合成因,除上之外还有其它各种制约条件.

    六、改进措施建议

     根据以上的声响起因分析,其形成有“必要和充分条件”,如要改变声响的必要条件,也就是要消除脱流涡列,目前是不可能而且也不现实,但如改变声响充分条件,也就是改变弹性系统的振动频率,即可消除或避开声响.任何声音都是由物体振动所形成,而且有一个固有的振动频率.机组的异常声响,也是振动引起,由水流弹性系统和机械弹性系统组成比较复杂的多因素的振动系统,它也有固有振动频率.本文设想改变浆叶的激振频率,也就是通过改变机械弹性系统的振动频率,同时改变水流弹性系统对浆叶的激振影响.

     由于水力设计和结构制造已定型,难以改变水力设计,也难以改变结构来消除声响.但根据水力机械的运行实践经验,如对水流掺入适当的空气,可改善浆叶尾部涡列的强度以及对浆叶的激励振动;在水中渗进了空气增加了水的弹性,会改变水轮机浆叶的激振频率.鉴于城关电站机组声响的特点和结构,建议利用已有的水轮机转轮室浆叶前的测压管接入高压压缩空气(8KG/cm2),这种方法不涉及结构问题,也不危及运行安全.

     鉴于已有四个测压孔的直径较小,补气量可能有限,但本试验只是为改变产生声响的激振频率,因此需用气量并不会太大.这里需指出,在功能上与尾水管的真空破坏阀的补气作用不同,并不是要破坏尾水管的真空,二者所需的气量不可同语而言,本试验的补气必须在浆叶的的前部,而不是在浆叶之后的水流中.从机组并网空载运行时声响自行消失的现象可看出,空载时电磁场所产生的不平衡磁拉力力也并不大(并网前后的机组转动部件的振动和摆度都无明显变化),由此可认为尽管测压孔的孔径较小,对试验还是能满足一定的要求,至少能有改善的趋势.

     采用上述试验后,取得了较好效果,经进一步采取改良措施,已解决异常声响题.

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