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,除調速器品質之外,與水輪機的水
　　
　　力方面因素有關,主要與葉型有關.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,流經漿葉的水流流態(tài)不是完全均衡,隨之產生水力不平衡.
　　
　　一號機組在空載額定轉速下,手動改變漿葉的旋轉角,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,由于水力設計因素,流經漿葉后的水流,形成周期性脈動紊流.該脈動紊流,既激振轉輪漿葉,又掃擊轉輪室邊壁,產生機組的異常聲響.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葉片時發(fā)生脫流而引起的渦列,水輪機在非設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.因為轉輪漿葉在轉動時,實際構成一組無限的移動
　　
　　葉柵,轉輪在旋轉過程中,每一葉片的尾部水流都會被位于其后的旋轉葉片所切斷,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),同時產生垂直于流向的交變側向力,即不均衡的側向力,這種交變側向力作用于彈性葉片尾緣上.(注:對貫流式轉輪的葉片結構形狀,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構,尤顯單薄,比國內生產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生大幅振蕩.當某一葉片旋轉到某一位置,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,渦列中的水流質團是以高頻的不規(guī)則狀態(tài)進行運動,渦列中的水質體是一個高能質團,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,在非設計工況運行時,均會產生葉型渦列,但一般情況下,渦列脫離葉片后進入尾水管,并匯集成旋轉狀渦流帶.旋轉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,同時也產生周期性的聲響.但在這一點上,城關機組的聲響與之有本質的區(qū)別.
　　
　　尾水管內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向相同的旋轉速度量,這個環(huán)量使渦帶形成螺旋狀流向下游,同時渦帶在旋轉過程中不斷掃動尾水管邊壁.
　　
　　B》尾水管內渦帶的掃動頻率相對較低,其周期與尾水管內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)
　　
　　城關電站機組的額定轉速為100轉/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,但城關電站機組的反映現(xiàn)象、造成結果方面有質的區(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渦帶前,由于漿葉振幅突變、或渦列掃擊轉輪室邊壁時產生異常聲響,由此產生的聲響頻率是與機組轉速相同.當轉速為88~104轉/分時,“產生渦列---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,機組在額定空轉狀態(tài)時,估計四個漿葉中的一個葉片或二個葉片所產生的組合渦列為主導作用,否則聲響頻率將是機組轉速的倍數(shù)關系,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(稍靠下游側),而在漿葉轉動范圍以外的區(qū)域,也有局部較大的油漆剝落現(xiàn)象.
　　
　　經仔細觀察,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生的間隙氣蝕作用,其次是葉型渦列撞擊轉輪室時將漆膜擊落.從圖二(A)中看出,水流經漿葉間隙,在間隙后部產生一個負壓區(qū),但漿葉是在連續(xù)轉動,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)生在轉輪室上部的原因,在產生間隙渦列的同時也產生間隙氣蝕,由于臥式燈泡貫流機組,因直徑較大,轉輪上部與下部的淹沒深度差別顯著,轉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、在漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁脫漆現(xiàn)象
　　
　　在機組的檢查過程中,漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁有星狀的掉漆現(xiàn)象.主要應從貫流機組結構,尤其是轉輪室形狀進行分析.主要是轉輪室與漿葉的轉動區(qū)為球形狀,漿葉與轉輪室間隙產生渦列,隨水流后移,部份渦列直接撞到轉輪室的后部,從而產生落漆現(xiàn)象.漿葉出水邊外緣產生的渦列出于同樣原因,也會造成漿葉轉動區(qū)外的轉輪室邊壁產生落漆現(xiàn)象.
　　
　　4、氣蝕聲響與異常聲響的關系
　　
　　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.嚴重的氣蝕會破壞水輪機轉輪和尾水管等過流部件,并在尾水管內產生強烈的周期性噪聲和振動,使水輪機運行不穩(wěn)定.
　　
　　但從城關電站機組異常聲響的特征判別,并不是由于氣蝕所產生,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,因此所產生的聲響也是無規(guī)則的.