三、机组声响的成因探讨及现象解释
　　
　　1、基本成因探讨
　　
　　通常,水轮机在空载运行时,常会出现不稳定现象,除调速器品质之外,与水轮机的水
　　
　　力方面因素有关,主要与叶型有关.一是叶片的扭角,二是叶栅稠密度.叶片扭角小,叶栅稠密度大的叶型,其空载运行稳定性要好一些.贯流机的转轮叶片数量相对较少(本机组是4叶片),叶栅稠密度较小,客观上其空载运行的稳定性较差.通俗解释,也就由于浆叶比较稀疏,对水流的制约作用小,流经浆叶的水流流态不是完全均衡,随之产生水力不平衡.
　　
　　一号机组在空载额定转速下,手动改变浆叶的旋转角,试图改变协联工况消除声响,但没有效果.由此可知,“非协联工况”并不是空载时声响的主要根源.水轮机在空载运行时,由于导叶开度很小,进入水轮机的水流偏离最优工况较远.从叶型上考虑,由于水力设计因素,流经浆叶后的水流,形成周期性脉动紊流.该脉动紊流,既激振转轮浆叶,又扫击转轮室边壁,产生机组的异常声响.这种连续的脉动紊流通常称为“涡列”或“涡流”.
　　
　　(A)叶型涡列
　　
　　叶型涡列是水流流经叶片时发生脱流而引起的涡列,水轮机在非设计工况下运行叶片的绕流条件不良.此外,叶片出口边边界层从壁面分离,这两者导致转轮出口处形成脱流旋涡,旋涡在弹性叶片后面以非对称的形式上下交错地被释放到尾流中,即构成涡列,见图一.但这种涡列与常见的卡门涡列不完全相同.因为转轮浆叶在转动时,实际构成一组无限的移动
　　
　　叶栅,转轮在旋转过程中,每一叶片的尾部水流都会被位于其后的旋转叶片所切断,亦即单个叶片的脱流要受到移动叶栅的影响.这种连续切断尾流的结果,会加速脱流的形成速度,增强涡列的强度.
　　
　　随着涡列的不断出现,同时产生垂直于流向的交变侧向力,即不均衡的侧向力,这种交变侧向力作用于弹性叶片尾缘上.(注:对贯流式转轮的叶片结构形状,在力特性上,通常可作为一个弹性体考虑,就本电站机组的浆叶结构,尤显单薄,比国内生产的叶片在厚度上相对薄得多).逐渐激起叶片尾部(浆叶出口边)的振荡,由于叶片尾部振荡的反馈作用,叶片附近的水流受到激发和扰动.这种受到激发和扰动的水流,又会反作用于叶片上,增加叶上的周期性脉动压力,如此反复激励,使涡列不断增强,同时使叶片出口边产生大幅振荡.当某一叶片旋转到某一位置,由于边界条件的改变,受到激发和扰动的水流突然释放积累能量,或叶片振荡幅度发生突然变化,从而导致产生异常声响.
　　
　　叶型涡列,本身具有较大的水力能量,涡列中的水流质团是以高频的不规则状态进行运动,涡列中的水质体是一个高能质团,一旦涡列的边界条件改变,就会以撞击的形式释放固有能量.如遇到转轮室边壁,亦可能发出类似金属撞击的声响.
　　
　　不论何种型式的水轮机,在非设计工况运行时,均会产生叶型涡列,但一般情况下,涡列脱离叶片后进入尾水管,并汇集成旋转状涡流带.旋转过程中可能不断扫动尾水管边壁,引起尾水管的压力脉动和振动,同时也产生周期性的声响.但在这一点上,城关机组的声响与之有本质的区别.
　　
　　尾水管内的涡带引起的振动具有以下特点:
　　
　　A》涡列脱离叶片后汇集成运动涡带,并具有一个正向环量,也就是有一个与叶片转向相同的旋转速度量,这个环量使涡带形成螺旋状流向下游,同时涡带在旋转过程中不断扫动尾水管边壁.
　　
　　B》尾水管内涡带的扫动频率相对较低,其周期与尾水管内的压力脉动基本相同.
　　
　　据不完全统计,水轮机尾水管的压力脉动频率:
　　
　　fS=(nH/3)~(nH/5)
　　
　　城关电站机组的额定转速为100转/分.由些推算,尾管涡带的脉动频率的范围约是33至20次/分,明显低于转轮室实际声响频率,故可确定异常声响并非是由于尾水管压力脉动引起.在理论上,城关电站水轮机的声响与通常水轮机尾水管的压力脉动声响,都起源于叶型涡列,起源机理相似,但城关电站机组的反映现象、造成结果方面有质的区别.
　　
　　本文认为浆叶出水边的涡列作用是机组的异常声响的基本根源.这些涡列在尚未进入尾水管形成低频旋转涡带前,由于浆叶振幅突变、或涡列扫击转轮室边壁时产生异常声响,由此产生的声响频率是与机组转速相同.当转速为88~104转/分时,“产生涡列---叶片激振----强化涡列”的相互作激励程度最强,声响噪音最强.
　　
　　从各种迹象推测,机组在额定空转状态时,估计四个浆叶中的一个叶片或二个叶片所产生的组合涡列为主导作用,否则声响频率将是机组转速的倍数关系,仅凭听觉难以区别.
　　
　　(B)间隙涡列
　　
　　根据实践运行表明,在叶片外缘与转轮室之间的缝隙区域,其流态也是水轮机中最为不利的部位之一.曾对几种间隙形状进行了研究.并绘出了轴流式(同贯流式)转轮浆叶端部间隙形状和压力分布及流态曲线:
　　
　　2、基本现象分析
　　
　　为查找声响原因的过程中,机组曾多次启动、多次流道检查.对所谓的磨擦区,即油漆剥落区的分布进行仔细观察,虽然每次脱落的具体位置并不完全重复,而变化不大.在分布上也有一个显著的特点,集中在转轮室的上方,在下部是小面积的星状分布.而且所有的油漆脱落区大都在浆叶空载开度时的投影区平面内(稍靠下游侧),而在浆叶转动范围以外的区域,也有局部较大的油漆剥落现象.
　　
　　经仔细观察,漆膜是成断裂状掉落,油漆的边界明显,边界基本上由相互垂直的短直线段组成,且无被削薄的迹象.此外,对油漆脱落后的金属表面仔观察,发现金属呈现新鲜光泽,工厂内的机加工刀痕清淅可辨,无任何刮擦、剂压或微小变形现象.
　　
　　由此判断,脱漆现象主要是间隙涡列产生的间隙气蚀作用,其次是叶型涡列撞击转轮室时将漆膜击落.从图二(A)中看出,水流经浆叶间隙,在间隙后部产生一个负压区,但浆叶是在连续转动,当浆叶未扫过时的压力又是较高的正压,这样使漆膜受到交变压力的作用,致使漆膜与金属表面脱开.尤其是在负压的作用下将漆层拉断吸落.另外由于叶型外缘的涡列作用,不断扫击转轮室边壁,也加速漆膜的脱落.由于漆膜的脆性,及机械加工刀痕的影响,所以脱漆边界大都是与刀痕方向平行或垂直.
　　
　　由于机组运行时间较短,因此只是暴露出金属表面,间隙气蚀的破坏后果尚未显露.至于只发生在转轮室上部的原因,在产生间隙涡列的同时也产生间隙气蚀,由于卧式灯泡贯流机组,因直径较大,转轮上部与下部的淹没深度差别显著,转轮室上部的气蚀性能较下部差得多,因此上部的间隙气蚀破坏为烈.
　　
　　3、在浆叶转动区外的转轮室边壁脱漆现象
　　
　　在机组的检查过程中,浆叶转动区外的转轮室边壁有星状的掉漆现象.主要应从贯流机组结构,尤其是转轮室形状进行分析.主要是转轮室与浆叶的转动区为球形状,浆叶与转轮室间隙产生涡列,随水流后移,部份涡列直接撞到转轮室的后部,从而产生落漆现象.浆叶出水边外缘产生的涡列出于同样原因,也会造成浆叶转动区外的转轮室边壁产生落漆现象.
　　
　　4、气蚀声响与异常声响的关系
　　
　　气蚀在形成的机理上是一种复杂的物理、化学现象,同时与水的汽化压力和水中空气含量、水的表面张力等因素有关.严重的气蚀会破坏水轮机转轮和尾水管等过流部件,并在尾水管内产生强烈的周期性噪声和振动,使水轮机运行不稳定.
　　
　　但从城关电站机组异常声响的特征判别,并不是由于气蚀所产生,而是不平衡脱流涡列所造成,气蚀与异常声响之间不存在直接的因果关系,气蚀所造成的破坏是微观量的破坏,气泡破裂撞击金属表面是随机性的,因此所产生的声响也是无规则的.