1、大朝山6號機組運行穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力分布研究錢勤1 張克危1劉倫洪1鄭莉媛1李啟章2 曹劍綿3（1 華中科技大學(xué) 2 中國水利水電科學(xué)研究院 3 東方電機股份有限公司）摘要：通過對大朝山機組的運行穩(wěn)定性和動應(yīng)力試驗研究，分析了機組在變負(fù)荷工況下的轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力變化規(guī)律和頻率特征，同時也對穩(wěn)定性各個特征參數(shù)與動應(yīng)力變化測量結(jié)果進行了比較，并分析了在不同特征工況下，影響動應(yīng)力的各個因素，為轉(zhuǎn)輪裂紋機理和動應(yīng)力研究以及對深入開展大型水力機組的運行穩(wěn)定性和可靠性研究提供了有力的試驗依據(jù)。1.引言近年來國內(nèi)外大型水輪發(fā)電機組不斷出現(xiàn)有害振動、葉片裂紋、噪聲超標(biāo)等問題，有的甚至在試運行期間或運行初期就出現(xiàn)葉片

2、裂紋、被迫停機修復(fù)，給電力生產(chǎn)造成較大損失。通常對水電機組可靠性的檢測與評價都是以機組振動與水輪機壓力脈動為標(biāo)準(zhǔn)來進行的，但從近年來發(fā)現(xiàn)的一些新問題來看，這還不足以保證機組能安全運行，因為水壓脈動是機組的激振力、主軸扭振、機組振動、噪聲等問題的中間反映，而轉(zhuǎn)輪葉片及其他關(guān)鍵部件的動應(yīng)力和疲勞壽命則是評價安全運行的最終指標(biāo)1。造成葉片振動疲勞斷裂的原因是作用在葉片上的靜應(yīng)力和交變應(yīng)力達(dá)到葉片材料的疲勞極限，并累計損傷造成的微裂紋和裂紋的擴展2。因此查明啟動及試運行階段機組的運行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力分布，對掌握各水頭段下機組全面運行性能、校核葉片疲勞極限均有重要意義。大朝山水電站在72小時試運行后

3、，發(fā)現(xiàn)葉片出水邊上冠、下環(huán)附近有多處裂紋，后經(jīng)過兩次葉片出水邊修型后，得到很大的改善3。為了進一步了解轉(zhuǎn)輪葉片在工作運行工況下的動應(yīng)力和靜應(yīng)力水平、分布情況及動應(yīng)力的頻率特征，動應(yīng)力隨工況的變化，各種因素對動應(yīng)力的影響以及動應(yīng)力與機組穩(wěn)定性之間的關(guān)系，云南大朝山水電有限責(zé)任公司委托東方電機廠與華中科技大學(xué)、水科院李啟章教授合作、共同完成大朝山6機組轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力試驗任務(wù)。應(yīng)用華中科技大學(xué)研制的動應(yīng)力測試儀及振動擺度測試儀，對6機組進行轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力測試的同時，進行了運行穩(wěn)定性試驗。試驗研究的成果為解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題以及電站水輪機的安全運行提供了參考依據(jù)。2.試驗裝置和試驗方法華中科技大學(xué)研制的HSJ

4、動應(yīng)力測試儀有39個應(yīng)力測量通道，另有6個非應(yīng)力通道可用來采集非應(yīng)變信號，如振動、壓力脈動等。測試儀各通道同時采樣的最高采樣率為2000Hz，記錄時間可調(diào)。測試儀具有兩種操作方式：遙控式和程控式。自備直流電源。電源和信號存儲設(shè)備可滿足一次完整試驗的需要，其原理圖如圖1所示。圖1 動應(yīng)力測量儀原理圖大朝山6#機組實測中水輪機轉(zhuǎn)輪4號及11號葉片上共布置了36個應(yīng)變測點，其中有2個測點為應(yīng)變花，應(yīng)變片布置示意圖如圖2所示。測點1和15用三維應(yīng)變花，其余為單向應(yīng)變片。單向應(yīng)變片的方向與焊縫垂直，或與出水邊平行。另外在10號葉片正面、伴隨4個振動傳感器布置了4個單向應(yīng)變片，其位置約與1、5、6、8相當(dāng)

5、。補償片貼在與葉片同材質(zhì)的鋼板上，置于水輪機軸外與測試儀相對的一側(cè)。工作片與補償片的溫差效應(yīng)在調(diào)平衡時消除，不考慮試驗期間水溫與水輪機室溫度變化的影響。連接線由水輪機軸上穿孔引出。設(shè)定每通道數(shù)據(jù)采集頻率為2KHz，采樣分辨率為12bit。 圖2 測點的布置華中科技大學(xué)在大朝山機組安裝的HSJ振動擺度監(jiān)測儀，共計36路測點，包含：蝸殼、頂蓋及尾水管水壓；上導(dǎo)、下導(dǎo)及水導(dǎo)擺度；定子、上機架、下機架、頂蓋振動；鍵相、發(fā)電機功率、接力器行程等信號。設(shè)定每通道數(shù)據(jù)采集頻率為1KHz，采樣分辨率為12bit。正式試驗的試驗工況共31個，包括：不同轉(zhuǎn)速試驗、不同勵磁電流試驗、不同負(fù)荷試驗和暫態(tài)過程試驗。3.

6、變負(fù)荷下靜應(yīng)力分布靜應(yīng)力主要來自離心力和水力作用力兩個方面，穩(wěn)定運行時，離心力的影響是固定的，如果忽略勵磁電流的影響，則轉(zhuǎn)輪葉片靜應(yīng)力的變化僅僅取決于水力因素的變化。文中拉應(yīng)力用“正應(yīng)力”表示，壓應(yīng)力以“負(fù)應(yīng)力”表示。靜應(yīng)力隨負(fù)荷變化的基本趨勢基本為：(1) 除少數(shù)在上冠部位測點的靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增大而減小，多數(shù)測點靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增大而增大。(2) 在上冠部位，最大應(yīng)力點在高負(fù)荷（120MW 及以上）時出現(xiàn)在4、3測點，即中間測點的靜應(yīng)力最大；在低負(fù)荷時出現(xiàn)在1、2測點，即靠近出水邊的部位；隨負(fù)荷的增大，最大應(yīng)力點向進口邊偏移；出水邊靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增大而減小（由14.2到-2.9）；進口邊的靜應(yīng)

7、力由負(fù)值向正值變化，但絕對值并不大（由-9.6 MPa到2.2 MPa）；進口邊的靜應(yīng)力小于出水邊。(3) 在下環(huán)部位，最大靜應(yīng)力出現(xiàn)在出水邊（測點8和22），最小靜應(yīng)力出現(xiàn)在中間（測點7和21），進口邊（測點6和20）的靜應(yīng)力居中；隨負(fù)荷的增大各測點的靜應(yīng)力都增大；除測點7在40MW 及以下為負(fù)值外，其余測點和其它工況下，靜應(yīng)力均為正值。(4) 沿葉片出水邊，除測點1的靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增大而減小之外，其余各點均隨負(fù)荷的增大而增大；出水邊下環(huán)處的靜應(yīng)力最大，三個葉片該點（測點8、22、32）的靜應(yīng)力分別為：24.9 MPa、42.3 MPa、29.5 MPa；10測點的靜應(yīng)力最小，在5.5 MP

8、a之間；總趨勢是由上冠到下環(huán)靜應(yīng)力逐漸增大。4.變負(fù)荷下動應(yīng)力分布試驗結(jié)果的通頻峰峰值表示各測點在各工況下的最大動應(yīng)力，反映綜合性的動應(yīng)力大小；分頻值表示各頻率成分的基波幅值，它們主要反映各種動應(yīng)力產(chǎn)生的原因或影響因素，有時也能間接反映動力響應(yīng)的作用。本文就不同負(fù)荷下的測得的動應(yīng)力通頻值和分頻值的結(jié)果加以分析說明。（1）不同負(fù)荷的動應(yīng)力通頻值 不同測點的動應(yīng)力幅值是不同的，但隨負(fù)荷變化的規(guī)律卻大致相同。結(jié)果表明動應(yīng)力極大值出現(xiàn)40MW和130MW負(fù)荷，40MW的動應(yīng)力最大。動應(yīng)力隨負(fù)荷越低而增大，隨負(fù)荷的增大，各測點的動應(yīng)力幅值逐漸趨于一致。測點的動應(yīng)力，不僅低負(fù)荷時幅值比較大，而且各測點幅值

9、的差別也很大，如上冠各測點，幅值差異在3.95MPa27.1MPa間。比較一致的是，隨負(fù)荷的增大，各測點的動應(yīng)力幅值逐漸趨于一致（如上冠在1.47MPa2.16MPa范圍），而且幅值比較小。從測點分布位置分析，葉片出水邊的動應(yīng)力大于進水邊的動應(yīng)力，在上冠部分，出水邊動應(yīng)力25.1 MPa，進口邊最小，約4MPa；在下環(huán)部分，出水邊動應(yīng)力最大，35.1 MPa；進口邊最小；6.44 Mpa，同時低負(fù)荷時，沿下環(huán)動應(yīng)力變化梯度很大，高負(fù)荷（160MW以上）時幾乎沒有變化。沿葉片出水邊，出水邊下環(huán)的動應(yīng)力最大（35.1 MPa），上冠其次（25.1 MPa），中間測點10最小（14.0 MPa）。出

10、水邊背面的動應(yīng)力顯著的小于正面，特別是在120MW以下的負(fù)荷范圍。（2）不同負(fù)荷的動應(yīng)力主頻率及其分頻值分析各測點、各負(fù)荷的頻率成分，可看出下面一些特點。（1）頻率為1.44Hz 上下（1.27Hz1.52Hz）的動應(yīng)力，其幅值都相對較大；（2）存在一些倍頻關(guān)系，如：1.97Hz、3.93Hz、7.58Hz；22.14Hz與44.36Hz等。頻率成分與負(fù)荷的關(guān)系大致是：80MW及以下，頻率成分比較雜而多，有較高的頻率（19.7524.5444.3646.09Hz）成分，也有1.0 Hz以下的低頻，還有介于上述兩者之間的頻率，但它們也不同時出現(xiàn)在同一個負(fù)荷或同時出現(xiàn)在所有的測點；100160MW

11、時，（1.27 Hz1.52Hz）及其倍頻成為最主要的頻率，不僅出現(xiàn)在這個區(qū)的各個負(fù)荷，而且同時出現(xiàn)在幾乎所有的測點；200MW225MW時，1.968、3.926Hz頻率出現(xiàn)略多，46Hz、80Hz也有出現(xiàn)。同時，第一頻率分頻值隨負(fù)荷變化的趨勢，與動應(yīng)力通頻值隨負(fù)荷變化的趨勢相似，最大值也出現(xiàn)在40MW和130MW左右的負(fù)荷區(qū)。5機組穩(wěn)定性參數(shù)與動應(yīng)力比較分析動應(yīng)力在變負(fù)荷過程中與穩(wěn)定性試驗中的水壓脈動等穩(wěn)定性指標(biāo)參數(shù)一樣，也具有一定的變化規(guī)律。為了探討動應(yīng)力的成因，很有必要同時對機組各個部件的穩(wěn)定性參數(shù)進行研究，才能根本地從細(xì)節(jié)上查明影響動應(yīng)力變化的水力因素。通過穩(wěn)定性試驗，我們可以同時得

12、到了各個部件的水壓脈動、振動、擺度等變化，并與動應(yīng)力變化規(guī)律進行比較。圖3和圖4為水壓脈動、擺度、振動與動應(yīng)力隨負(fù)荷變化曲線。圖3 機組穩(wěn)定性參數(shù)隨負(fù)荷變化趨勢圖圖4 動應(yīng)力隨負(fù)荷變化趨勢圖由圖可看出，穩(wěn)定性參數(shù)與動應(yīng)力的變化規(guī)律，其是在轉(zhuǎn)輪附近靠近上冠部位的測點，所測得的穩(wěn)定性參數(shù)的信號變化趨勢與動應(yīng)力變化趨勢具有很好的一致性。大朝山6機組全負(fù)荷范圍內(nèi)出現(xiàn)2個較大振動區(qū)，即2060MW之間的特殊頻率振動區(qū)，在40MW負(fù)荷多數(shù)信號出現(xiàn)極值；和110160MW之間的渦帶振動區(qū)，在130140MW出現(xiàn)極值。同時，從水壓、振動/擺度以及動應(yīng)力的變化趨勢的一致性，也可以說明穩(wěn)定性試驗、動應(yīng)力試驗取得較

13、好的可信度和試驗效果。在不同的負(fù)荷區(qū)域，其特點如下：（1）渦帶振動區(qū)：6機組渦帶工況的大致負(fù)荷范圍：110MW160MW。130MW負(fù)荷，尾管渦帶強度較強，水壓擺度和振動的渦帶頻率顯著，幅值有較大增加。160MW負(fù)荷，尾水管渦帶強度減弱，機組擺度和振動的渦帶頻率幅值減小。180MW負(fù)荷，尾水管渦帶進一步減弱，對機組擺度和振動基本無影響；機組渦帶振動區(qū)的負(fù)荷范圍寬于40MW特殊振動區(qū)的負(fù)荷范圍，渦帶頻率約為0.48Hz，渦帶頻率不是常數(shù)。尾水水壓、蝸殼水壓、頂蓋水壓；定子徑向和垂直振動、上機架徑向和垂直振動、頂蓋徑向和垂直振動、控制環(huán)垂直振動、上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度等信號皆含有渦帶頻率； 130M

14、W負(fù)荷，部分信號渦帶頻率分量幅值大于轉(zhuǎn)頻分量幅值。（2）40MW特殊頻率振動：大朝山6機組在小負(fù)荷40MW負(fù)荷附近出現(xiàn)特殊頻率振動，此外，1機組穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)在35MW左右負(fù)荷出現(xiàn)相似的特殊頻率振動。歸納40MW負(fù)荷的特殊頻率振動特點如下：40MW特殊頻率振動，頂蓋水壓脈動幅值大于蝸殼和尾水管水壓脈動幅值，且幅值達(dá)到較大值；機組特殊頻率振動區(qū)的負(fù)荷范圍窄于渦帶振動區(qū)的負(fù)荷范圍；機組特殊頻率頻率約為0.250.32Hz，特殊頻率頻率不是常數(shù)；測到以下信號含有特殊頻率頻率：上游和下游尾水水壓、蝸殼進人門水壓、頂蓋水壓和無葉區(qū)水壓；蝸殼進人門振動、尾水進人門振動、定子徑向和垂直振動、上機架徑向和垂直

15、振動、頂蓋徑向和垂直振動、控制環(huán)垂直振動；上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度；部分測點40MW脈動幅值大于渦帶工況區(qū)脈動幅值，說明40MW特殊頻率振動區(qū)對機組安全運行的危害大于尾水管渦帶對機組安全運行的危害。6. 討論從轉(zhuǎn)輪應(yīng)力產(chǎn)生原理的角度，電磁力不直接對轉(zhuǎn)輪的靜應(yīng)力或動應(yīng)力產(chǎn)生影響，而且由于電磁阻力的作用及其變化引起水輪機流量的變化非常微小，電磁力對轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力的影響很小，因而影響動應(yīng)力最大的還是水力因素。影響轉(zhuǎn)輪葉片靜應(yīng)力和動應(yīng)力變化的水力因素有多種，比較明確的有渦帶壓力脈動、小負(fù)荷區(qū)特殊壓力脈動、導(dǎo)葉頻率壓力脈動等幾個。（1）渦帶壓力脈動對動應(yīng)力的影響渦帶壓力脈動會引起葉片的振動，在葉片上出現(xiàn)渦帶頻

16、率的動應(yīng)力。對于大朝山水輪機，渦帶頻率的基波頻率約為0.48 Hz。當(dāng)渦帶壓力脈動作用在葉片上時，則渦帶頻率動應(yīng)力的頻率為轉(zhuǎn)速頻率與渦帶頻率之差。渦帶頻率動應(yīng)力出現(xiàn)在100MW160MW負(fù)荷范圍，最大值出現(xiàn)在130MW負(fù)荷。（2）小負(fù)荷特殊壓力脈動的影響圖3和圖4顯示，壓力脈動和應(yīng)力均在40MW負(fù)荷出現(xiàn)極大值，且頻率頻率多在幾十赫茲以下，且頻率成分比較多；最大動應(yīng)力約出現(xiàn)在40MW負(fù)荷。幾乎在所有的工況都存在一定的小負(fù)荷特殊壓力脈動成分。只是在100MW 以上負(fù)荷范圍，動應(yīng)力的絕對值不大。在大朝山水輪機的全工況范圍內(nèi)，最大動應(yīng)力出現(xiàn)在低負(fù)荷區(qū)。分析認(rèn)為，強烈的小負(fù)荷特殊壓力脈動可能由轉(zhuǎn)輪進口水

17、流的沖擊、脫流和次生水沖擊、流道不穩(wěn)定水流產(chǎn)生。出現(xiàn)最大動應(yīng)力的具體負(fù)荷與水頭有關(guān)，低負(fù)荷區(qū)的動應(yīng)力主要由小負(fù)荷特殊壓力脈動所引起。（3）導(dǎo)葉頻率壓力脈動的影響實測數(shù)據(jù)顯示，只在大負(fù)荷（180MW以上）及部分測點上比較明顯，而且幅值比較小。如225MW時，測點1的最大導(dǎo)葉頻率分頻值僅0.42 MPa。從示波圖上還可以分辨出2階和3階諧波頻率分頻值的存在，但幅值都更小，在數(shù)據(jù)分析中屬于被忽略的部分。因此如果不引起葉片的共振，導(dǎo)葉頻率動應(yīng)力分頻值對葉片應(yīng)沒有什么實質(zhì)性的影響，同時也未發(fā)現(xiàn)葉片的整體或局部出現(xiàn)共振的跡象。7. 結(jié)語 本文通過對大朝山機組和轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性、動應(yīng)力試驗結(jié)果分析，得到以下結(jié)論

18、：（1） 穩(wěn)定性試驗的水壓、振動/擺度變化規(guī)律與動應(yīng)力試驗結(jié)果的變化趨勢一致，說明穩(wěn)定性試驗、動應(yīng)力試驗取得較好的可信度和試驗效果。（2） 在變負(fù)荷下，轉(zhuǎn)輪葉片的動應(yīng)力表現(xiàn)以下特征：最大的靜應(yīng)力為42.84 MPa，出現(xiàn)在11號葉片的測點22，負(fù)荷為225MW；應(yīng)力極大值出現(xiàn)40MW和130MW負(fù)荷，動應(yīng)力隨負(fù)荷越低而增大，最大動應(yīng)力通頻值為35.1 MPa， 出現(xiàn)在40MW負(fù)荷；第一頻率分頻值隨負(fù)荷變化的趨勢，與動應(yīng)力通頻值隨負(fù)荷變化的趨勢相似，最大值也出現(xiàn)在40MW和130MW左右的負(fù)荷區(qū)。（3） 變負(fù)荷下，機組穩(wěn)定性特征參數(shù)的變化與動應(yīng)力變化一致，在靠近轉(zhuǎn)輪上冠附近的測點的變化最為接近。在130MW渦帶振動區(qū)和40MW小負(fù)荷振動區(qū)都有極大值出現(xiàn)，40MW負(fù)荷的振動