杜世平

（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙 410100）

土耳其甘然电站水轮机异常噪音问题分析和处理

杜世平

（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙 410100）

土耳其甘然电站21MW水轮发电机组投入商业运行后，发现水轮机在部分负荷存在异常的金属啸叫声音，经现场实验分析，认为是卡门涡共振引起的声音异常，同时两个叶片出现裂纹，经强迫补气后，异常声音消除，本文详细介绍了实验和分析过程，为其他电站的设计和运行提供参考经验。

土耳其；甘然；卡门涡异常；声音；啸叫

1 电站概况

土耳其甘然电站位于土耳其Batman市Kozluk镇附近，安东尼奥地区的GARZAN河上，电站安装两台单机容量为21.015MW的立轴混流式机组。应用11/154kV的变压器，通过154kV架空电缆联接系统。水轮机进水蝶阀直径2.2m，调速器采用BYWT-9000-16高油压分离式调速器。电站海拔高度大约800m。

表1 水轮机主要参数表

2 水轮机主体结构

土耳其甘然电站转轮采用国内先进的X型叶片转轮，转轮模型最优效率达到95.2%，稳定性好，适应于水头变幅较大电站，该转轮已在多个电站成功运行。转轮叶片数13片，转轮的上冠、下环和叶片材料均为ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢，数控加工成型，在制造厂内进行静平衡试验。

主轴密封采用无接触泵板密封，在转轮上冠处设有12个直泵叶片，顶盖设有12个DN50的排水管，12根排水管汇总成一根排水总管，接入尾水管。顶盖排水管总面积为止漏环漏水面积的5.6倍。通过这套系统可以将转轮止漏环处的漏水排至尾水管，确保主轴密封处不漏水。

为减小转轮止漏环处漏水，在转轮上冠处同时设有梳齿型小间隙密封，为兼顾安装检修和防止高水头止漏环自激震荡两个因素，止漏环处单边间隙设计1.1～1.3mm，梳齿密封单边间隙设计1.0～1.1mm。

为削弱尾水管涡带对水轮机产生的危害，改善水轮机运行稳定性，尾水管设计采用了短管式自然补气方式，在尾水锥管上部设有4个DN90的补气短管，汇总为DN100总管接入厂房外大气。

3 电站异常声音问题

土耳其甘然电站于2013年1月完成各项实验后投入商业运行。自运行以来，机组出力满足设计要求，瓦温低、振动摆度正常，但机组在13～18MW区域内出现异常的金属啸叫声音，在此负荷区域以外声音正常，2台机组均存在异常声音的问题，强度略有区别。在运行至12月例行检查时发现1号机组转轮两个叶片出现贯穿性裂纹，从转轮出水边中下部向内延伸，长度约150mm，出水边裂纹导致叶片断面错位。

4 现场实验分析

引起水轮机发出金属啸叫声音的原因有很多种，总体来说可能有金属摩擦声、补气管路流速过快通过小间隙导致的蜂鸣声、尾水管涡带本身的声音、水轮机水力部分原因包括卡门涡和叶道涡声音、转频与其它机械固有频率接近产生共振的声音（如轴承端盖），以及顶盖管路排水不畅存在气液两项流引起的声音等等。为能分析确定声音产生的原因，在现场进行了各种比对实验。

图1 叶片裂纹位置示意图

图2 叶片裂纹现场图

4.1 变水头实验

电站初期运行在高水头附近，蜗壳进口压力1.05MPa，出现异常声音的负荷区在13～18MW，枯水期运行在低水头附近，现场测试蜗壳进口压力0.776MPa，异常声音区域为11～15MW。说明随着水头增高，异常声音的负荷区域也增大，一般判定这种异常声音和水轮机流动有关。

4.2 补气量调整实验

一般在40%～70%负荷下运行时，水轮机尾水管存在涡带，由于尾水管涡带的强烈扰动，或其频率与机组固有频率重合而产生共振，将引起机组振动或者负荷摆动，同时也会产生噪音。另外高速气流通过小间隙区域也会产生金属的啸叫声。尾水管补气装置的作用就是在出现这种工况时，补入空气借以吸振同时降低涡带强度，改善机组的运行状态。

据电站反应，在增加补气量后异常声音有所改善，为验证补气量的影响，进行了补气量调整试验。试验前将补气阀完全拆除，以实现最大补气量。试验在采用全部关闭补气管、全部开启以及部分开启补气管方式下，进行了变负荷实验。经过多轮反复实验，发现补气量的改变对水轮机出现异常声音的负荷区域以及声音强度没有任何影响，依旧是在11～15MW区域内出现异常金属啸叫声且声音强度没有变化。

此试验证明异常声音不是来自尾水管涡带，也不是产生在补气管道内。

4.3 顶盖排水实验

甘然电站采用的是泵板密封结构，转轮上止漏环处的漏水通过泵板汇入12个DN50的顶盖排水管，再汇入DN200的顶盖排水总管，接至尾水管。考虑到电站初期运行时，上止漏环出漏水较少，同时电站又将顶盖排水总管接入了尾水锥管上段，这样有可能会出现顶盖排水管路气液混杂现象，管路里的气液两项流也会产生异常声音，此类现象在其它电站发生过。

现场试验将顶盖排水总管直接接入集水井，运行中保证顶盖排水管路全部充满水，试验结果表明水轮机异常声音与顶盖排水管路没有关系。

4.4 强迫补气实验

在以上试验过程中，同时检查了水轮机主轴、顶盖、导水机构、轴承及管路，机组的振动摆度以及瓦温都很好，完全满足国家标准要求，首先排除了因金属摩擦引起异常声音的可能性。至此，初步怀疑水轮机内部的流体运动应该是产生异常金属声音的根源，即卡门涡或者叶道涡，涡带频率与叶片某一阶固有频率一致，使叶片共振产生金属的啸叫声，同时叶片的振动导致叶片出水边中间位置挠度最大，产生裂纹。

4.4.1 叶道涡

当水轮机偏离最优工况时，在转轮叶片间可以看到有一连串的涡束沿着两个叶片间流出，这就是叶道涡。叶道涡起源于偏离最优工况后转轮上冠进口处的脱流。在高水头时，脱流发生在上冠叶片进口的背面，当低于设计水头时，脱流发生在叶片正面进口边。从叶道涡产生的水力原理看，与尾水管涡带一样，所有混流式水轮机偏离最优工况后，必然要发生叶道涡。叶道涡的频率与转频一致，而甘然电站出现的异常声音发生在部分负荷，与转频无关，因此可以判定异常声音不来自叶道涡。

4.4.2 卡门涡

流体在经过非流线型物体或者具有出流厚度的流线型物体时，尾迹部分会产生两列左右对称、交替排列、旋转方向相反的漩涡，这就是卡门涡。由于卡门涡是交替从出流物体尾部排出，因此对出流物体会产生一个周期作用力。当卡门涡频率与叶片某一阶频率一致时，就会产生共振从而导致叶片裂纹及异常声音。卡门涡的频率与流速和分离点厚度有关，具体公式如下∶

d——分离点的厚度，m；包括分离点物体厚度和分离点边界层厚度；经过计算发现，转轮叶片出口的卡门涡频率与转轮水下固有频率比较接近，因此可以初步判定叶片卡门涡是诱发异常声音和叶片裂纹的原因。

4.4.3 顶盖强迫补气

在导叶后转轮前的位置上，接入0.9MPa的压缩空气，用以破坏叶片卡门涡的形成。实验表明，当负荷为11MW时，补入少量压缩空气进入转轮后，异常声音立即消除，随后进行多次变负荷实验，异常声音均不再出现，证明叶片出口卡门涡与叶片共振是产生异常的金属啸叫声音的原因，问题得以解决。

从卡门涡频率计算公式分析，解决问题的另一种方法是修改叶片出水边型线，减少叶片出水边流体分离点的厚度，从而提高卡门涡的频率，以避开与转轮共振频率。从国内其他电站的处理经验看，这是一个较好的处理方法，但是限于甘然电站正处于发电任务期间，该项解决措施待今后进一步实施验证。

5 结论

近些年来，随着转轮研发技术的提高，转轮性能特别是效率有了大幅度的提高。但是转轮稳定性问题依然突出，特别是在大型机组上。一般中小型电站由于机组刚度较好，水流较为稳定，很少发生异常声音及叶片裂纹等问题，土耳其甘然电站在初期运行就出现异常噪音，说明中小型水轮机的稳定性依然值得重视。现场经过比对试验，确定是叶片出口卡门涡与叶片共振产生异常金属声音，此问题的分析解决也为今后中小型水轮机转轮设计及电站运行提供一定的参考和借鉴作用。

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1672-5387（2014）02-0058-03

2013-12-31

杜世平（1976-），女，工程师，从事水轮机设计工作。