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(diào)速器品質(zhì)之外,與水輪機的水
　　
　　力方面因素有關(guān),主要與葉型有關(guān).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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下,手動改變漿葉的旋轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)輪漿葉,又掃擊轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)輪漿葉在轉(zhuǎn)動時,實際構(gòu)成一組無限的移動
　　
　　葉柵,轉(zhuǎn)輪在旋轉(zhuǎn)過程中,每一葉片的尾部水流都會被位于其后的旋轉(zhuǎn)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(jié)果,會加速脫流的形成速度,增強渦列的強度.
　　
　　隨著渦列的不斷出現(xiàn),同時產(chǎn)生垂直于流向的交變側(cè)向力,即不均衡的側(cè)向力,這種交變側(cè)向力作用于彈性葉片尾緣上.(注:對貫流式轉(zhuǎn)輪的葉片結(jié)構(gòu)形狀,在力特性上,通?？勺鳛橐粋€彈性體考慮,就本電站機組的漿葉結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)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(zhì)團是以高頻的不規(guī)則狀態(tài)進行運動,渦列中的水質(zhì)體是一個高能質(zhì)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)狀渦流帶.旋轉(zhuǎn)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(guān)機組的聲響與之有本質(zhì)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(zhuǎn)向相同的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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:
　　
　　fS=(nH/3)~(nH/5)
　　
　　城關(guān)電站機組的額定轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/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(zhuǎn)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(guān)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(guān)電站機組的反映現(xiàn)象、造成結(jié)果方面有質(zhì)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(zhuǎn)渦帶前,由于漿葉振幅突變、或渦列掃擊轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速相同.當轉(zhuǎn)速為88~104轉(zhuǎn)/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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪漿葉端部間隙形狀和壓力分布及流態(tài)曲線:
　　
　　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(zhuǎn)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(cè)),而在漿葉轉(zhuǎn)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.
　　
　　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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪上部與下部的淹沒深度差別顯著,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁脫漆現(xiàn)象
　　
　　在機組的檢查過程中,漿葉轉(zhuǎn)動區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁有星狀的掉漆現(xiàn)象.主要應從貫流機組結(jié)構(gòu),尤其是轉(zhuǎn)輪室形狀進行分析.主要是轉(zhuǎn)輪室與漿葉的轉(zhuǎn)動區(qū)為球形狀,漿葉與轉(zhuǎn)輪室間隙產(chǎn)生渦列,隨水流后移,部份渦列直接撞到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動區(qū)外的轉(zhuǎn)輪室邊壁產(chǎn)生落漆現(xiàn)象.
　　
　　4、氣蝕聲響與異常聲響的關(guān)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(guān).嚴重的氣蝕會破壞水輪機轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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.