大型水轮机转轮异常振动及叶片裂纹分析

    转轮叶片的几何形状复杂,所承受的载荷也极其复杂。叶片除了水流所产生的离心和压力载荷外,还受到压力脉动和转轮下方发生的各种水力现象所产生的动态载荷的影响。再加上各种机械扰动所产生的动态载荷的作用,使得整个过程变得极其复杂,导致转轮叶片的振动与开裂。分析转轮叶片故障的第一步是确定裂纹的类型,弄清故障是由于超负荷还是疲劳;是因为通过水力通道的异物还是腐蚀疲劳;是由于叶片材质缺陷还是共振。针对不同的裂纹类型采用不同的分析方法和手段[1]。某机组在投入试运行中,水轮机噪声较大,顶盖出现高频振动现象,72 h试运行后,经检查发现水轮机13个叶片均出现了不同程度的裂纹,在排除该转轮叶片的材质缺陷后,将事故原因的重点转到了水力大负荷和叶片共振的分析上。

    1　水轮机振动和噪声测试分析

    1.1　振动、噪声测试系统和测试方法

　　对该水轮机振动、噪声测试分别采用美国BN公司的TK-83振动测试仪、美国HP公司的HP3560A频谱分析仪、日本小野测器LA-220声级计、BN公司速度传感器和PALACETEK公司的SKF低频位移传感器。顶盖+Y方向垂直和径向各安装一个BN速度传感器,顶盖-X方向垂直安装一个SKF低频位移传感器,尾水进门处安装一个BN速度传感器。噪声测点位于水机室进门处。

    试验工况:(1)额定空转;(2)额定空载;(3)25 MW负荷;(4)50 MW负荷;(5)75 MW负荷;(6)100 MW负荷;(7)125 MW负荷;(8)150 MW负荷;(9)175 MW负荷;(10)210 MW负荷。在各工况下,用TK-83对振动信号进行振动幅值测量,用LA-220对噪声信号进行分贝测量,同时用HP3560A对各信号进行频谱分析。

    1.2　振动和噪声测试结果

　　表1列出了具有代表性的结果。由表1可知:

   (1)该水轮机在100 MW负荷以后出现明显的高频振动和高频噪声,频率范围主要集中在270~390 Hz范围内,随机组出力增加,噪声增高,且以高频噪声为主。振动幅值随机组出力变化不明显,振动和噪声的主要频率随机组出力增加而增大。

    (2)水轮机高频振动的频率成分与高频噪声的频率成分基本一致,具有较大的相关性。

    (3)该水轮机存在0.625 Hz,1.25 Hz和22.5 Hz的低频振动和270~390 Hz的高频振动。

    (4)低频振动主要由水轮机的压力脉动和无叶区水力扰动引起,而高频振动是引起水轮机高频噪声的主要原因,同时也是水轮机的异常振动。

    2　转轮叶片试验模态分析

　　通过对该水轮机及其流道进行CFD分析(此部分将另文介绍),发现该水轮机转轮叶片在不同的运行条件和运行工况下会出现233~382 Hz的卡门涡激励,结合对该水轮机的振动、噪声测试分析,初步认为水轮机的异常高频振动和高频噪声为卡门涡引起叶片共振所致。为此对转轮叶片进行了试验模态分析。