近10多年來，一些大型水輪發電機組，如大古力、隔河巖、二灘、小浪底、五強溪等大型機組都存在不同程度的振動問題，嚴重影響到電網的穩定運行。2009年8月17日，俄羅斯薩揚水電站發生了嚴重的安全事故，水電站2號機組轉子連同其上蓋一同射出，并擊穿其上的混凝土層，飛至水電機組上層地面（見下圖），事故共造成88人死亡。而引起事故的原因就是在非有利區域運行時，振動劇烈，噪聲刺耳，而沒能立即卸載停機，從而造成水輪機頂蓋固定螺栓被拉斷，在水壓力作用下機組轉動部份帶著水輪機頂蓋及上機架向上彈射，導致事故發生。

1．無葉區壓力脈動

無葉區壓力脈動有本地產生的，也有由上、下游傳遞而來的。

(資料圖片僅供參考)

（1） 無葉區的壓力脈動包括：一部分由轉輪進口沖擊、脫流和次生水沖擊產生的隨機性壓力脈動，轉輪葉片對進口水流撞擊產生的葉片頻率壓力脈動；導葉－轉輪葉片組合頻率壓力脈動；無葉區環形水體共振產生的壓力脈動等。

（2） 由下游和上游傳遞到蝸殼進口的所有壓力脈動，也都同樣會傳遞到無葉區

2．頂蓋下壓力脈動

頂蓋下空間一般也不具備產生壓力脈動的條件，故在這里監測到的壓力脈動也是從上游和下游傳遞而來的各種壓力脈動的疊加。因此頂蓋下壓力脈動幅值的大小和轉輪及其迷宮結構和尺寸有關。但在出現異常壓力脈動時，它可能成為頂蓋下壓力脈動的主要頻率成分，沿圓周方向具有同步特征。由于頂蓋下近似于一個封閉空間，這里的“水錘效應”比較大，即這里的壓力脈動幅值可能比它的“原產的”還大。

當壓力波傳播方向 與水輪機流道中水流方向相反時，位于流道 上游或某個封閉空間（如頂蓋與轉輪上冠之間的空間）也產生使壓力脈動增大的效應。這時上游流道段的流動水體就相當于一個柔性障礙物，當同步壓力脈動相應的水流速度脈動與之相遇，兩者就會產生速度與壓力的轉換和變化。

3．無葉區壓力脈動產生的基本原因

（1）導葉葉道出口速度和壓力分布不均勻；

（2）轉輪葉道進口速度和壓力分布不均勻；

（3）輪輪進口水流對轉輪葉片的沖擊和次生水沖擊；

（4）轉輪葉片對進口水流的撞擊；

（5）上述各種因素的疊加

水輪機正常運行時，流經導葉的水流，絕大部分通過轉輪流向尾水管，但也有一小部分通過轉輪上、下迷宮裝置間接漏向尾水管，這部分水流在一定的條件下能產生頂蓋下至尾水管間的水力諧振或水力自激振動。當這種現象發生時，在頂蓋下（即轉輪上腔）、尾水管、蝸殼以及鋼管內都將產生強烈的壓力脈動。例如某水電站3號機在2002年5月大修檢查時發現尾水管彎管段產生環狀裂縫，其主要原因為低頻水壓脈動激起尾水管壁振動，當其振動頻率接近尾水管的固有頻率產生共振時，造成尾水管壁產生裂縫。

當流體繞過物體時，在其后面的兩側出現漩渦，形成旋轉方向相反、有規則交錯排列的線渦，進而互相干擾、互相吸引，俗稱卡門渦列，而物體則受到與流動方向相垂直的交變力。當卡門渦列的沖擊頻率接近于水輪機葉片的固有頻率時，將產生共振，并拌有較強的且頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲。卡門渦列主要出現在導葉和葉片的出水邊，它的頻率是以比較單純的噪聲形式表現出來。

故在設計轉輪、葉片或導葉時，要求機組及零部件的固有頻率避開卡門渦列頻率，或選用較好的葉型，而對于以投產運行的機組，則要避開共振流速運行，修改葉片的形狀或改變葉片的剛度。如浙江省黃壇口水電站水輪機轉輪，渦列頻率與轉輪葉片長期處于共振頻率下運行，使葉片產生疲勞裂紋。采用修整葉片出水邊厚度和形狀的方法，改變了卡門渦列產生的干擾頻率；在轉輪靠上根部葉片出水邊附近的葉片之間加焊了無縫鋼管撐筋，提高了轉輪葉片的固有頻率。這樣一來，共振現象就消失了

壓力脈動控制是水輪機行業的世界性難題，運行中面臨的主要問題：空化與振動

（1）部分負荷壓力脈動問題普遍存在；

（2）空化和壓力脈動誘發振動，振動加劇疲勞，導致葉片裂紋；

（3）水輪機轉頻易與流動激振頻率接近而引發共振。

大部分混流式水輪發電機組，都需要對水輪機進行補氣，特別是像三峽、白鶴灘這樣的巨型機組，對水輪機補氣有著更加重要的意義。補氣對減振作用明顯，對空蝕區域補氣則可防止或減輕空蝕破壞，低負荷時補氣還可提高機組效率。通常的補氣方式有3種：1． 尾水管短管補氣；2．主軸中心孔補氣；3．頂蓋強迫補氣；

原文標題:水輪發電機的水力脈動及振動問題探討

關鍵詞： 水輪發電機