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土耳其甘然电站水轮机异常噪音问题分析和处理

文档作者：杜世平文档来源：湖南云箭集团有限公司		点击数：	更新时间： 2025年05月30日
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收稿日期：2 013-12-31
作者简介：杜世平（1976-），女，工程师，从事水轮机设计工作。
土耳其甘然电站水轮机异常噪音问题分析和处理
杜世平
（湖南云箭集团有限公司，湖南长沙410100）
摘要：土耳其甘然电站21 MW 水轮发电机组投入商业运行后，发现水轮机在部分负荷存在异常的金属啸叫声音，
经现场实验分析，认为是卡门涡共振引起的声音异常，同时两个叶片出现裂纹，经强迫补气后，异常声音消除，本文
详细介绍了实验和分析过程，为其他电站的设计和运行提供参考经验。
关键词：土耳其；甘然；卡门涡异常；声音；啸叫
中图分类号：TK730.8 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2014）02-0058-03
1 电站概况
土耳其甘然电站位于土耳其Batman 市Kozluk
镇附近，安东尼奥地区的GARZAN 河上，电站安装
两台单机容量为21.015 MW 的立轴混流式机组。应
用11/154 kV 的变压器，通过154 kV 架空电缆联接
系统。水轮机进水蝶阀直径2.2 m，调速器采用
BYWT-9000-16 高油压分离式调速器。电站海拔高
度大约800 m。
2 水轮机主体结构
土耳其甘然电站转轮采用国内先进的X 型叶
片转轮，转轮模型最优效率达到95.2 ％，稳定性好，
适应于水头变幅较大电站，该转轮已在多个电站成
功运行。转轮叶片数13 片，转轮的上冠、下环和叶片
材料均为ZG0Cr13Ni4Mo 不锈钢，数控加工成型，在
制造厂内进行静平衡试验。
主轴密封采用无接触泵板密封，在转轮上冠处
设有12 个直泵叶片，顶盖设有12 个DN50 的排水
管，12 根排水管汇总成一根排水总管，接入尾水管。
顶盖排水管总面积为止漏环漏水面积的5.6 倍。通
过这套系统可以将转轮止漏环处的漏水排至尾水
管，确保主轴密封处不漏水。
为减小转轮止漏环处漏水，在转轮上冠处同时
设有梳齿型小间隙密封，为兼顾安装检修和防止高
水头止漏环自激震荡两个因素，止漏环处单边间隙
设计1.1~1.3 mm，梳齿密封单边间隙设计1.0~1.1 mm。
为削弱尾水管涡带对水轮机产生的危害，改善
水轮机运行稳定性，尾水管设计采用了短管式自然
补气方式，在尾水锥管上部设有4 个DN90 的补气
短管，汇总为DN100 总管接入厂房外大气。
3 电站异常声音问题
土耳其甘然电站于2013 年1 月完成各项实验
后投入商业运行。自运行以来，机组出力满足设计要
求，瓦温低、振动摆度正常，但机组在13~18 MW 区
域内出现异常的金属啸叫声音，在此负荷区域以外
声音正常，2 台机组均存在异常声音的问题，强度略
有区别。在运行至12 月例行检查时发现1 号机组转
轮两个叶片出现贯穿性裂纹，从转轮出水边中下部
向内延伸，长度约150 mm，出水边裂纹导致叶片断
面错位。
4 现场实验分析
引起水轮机发出金属啸叫声音的原因有很多
种，总体来说可能有金属摩擦声、补气管路流速过快
通过小间隙导致的蜂鸣声、尾水管涡带本身的声音、
水轮机水力部分原因包括卡门涡和叶道涡声音、转
频与其它机械固有频率接近产生共振的声音（如轴
表1 水轮机主要参数表
项目 内容 项目 内容
最大水头 110 m
额定水头 98 m
最小水头 75.4 m
额定流量 24.78 m3/s
水轮机型号：HLXXX-LJ-155
额定功率 21.793 MW
额定转速 500 r/min
飞逸转速 947 r/min
吸出高度 -4.0 m
发电机型号： SF21.015-12/3250
第37 卷第2 期水电站机电技术Vol.37 No.2
2014 年4 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower 58 Station Apr.2014
图1 叶片裂纹位置示意图
图2 叶片裂纹现场图
承端盖），以及顶盖管路排水不畅存在气液两项流引
起的声音等等。为能分析确定声音产生的原因，在现
场进行了各种比对实验。
4.1 变水头实验
电站初期运行在高水头附近，蜗壳进口压力
1.05 MPa，出现异常声音的负荷区在13~18 MW，枯
水期运行在低水头附近，现场测试蜗壳进口压力
0.776 MPa，异常声音区域为11~15 MW。说明随着水
头增高，异常声音的负荷区域也增大，一般判定这种
异常声音和水轮机流动有关。
4.2 补气量调整实验
一般在40％~70％负荷下运行时，水轮机尾水
管存在涡带，由于尾水管涡带的强烈扰动，或其频率
与机组固有频率重合而产生共振，将引起机组振动
或者负荷摆动，同时也会产生噪音。另外高速气流通
过小间隙区域也会产生金属的啸叫声。尾水管补气
装置的作用就是在出现这种工况时，补入空气借以
吸振同时降低涡带强度，改善机组的运行状态。
据电站反应，在增加补气量后异常声音有所改
善，为验证补气量的影响，进行了补气量调整试验。
试验前将补气阀完全拆除，以实现最大补气量。试验
在采用全部关闭补气管、全部开启以及部分开启补
气管方式下，进行了变负荷实验。经过多轮反复实
验，发现补气量的改变对水轮机出现异常声音的负
荷区域以及声音强度没有任何影响，依旧是在
11~15 MW 区域内出现异常金属啸叫声且声音强度
没有变化。
此试验证明异常声音不是来自尾水管涡带，也
不是产生在补气管道内。
4.3 顶盖排水实验
甘然电站采用的是泵板密封结构，转轮上止漏
环处的漏水通过泵板汇入12 个DN50 的顶盖排水
管，再汇入DN200 的顶盖排水总管，接至尾水管。考
虑到电站初期运行时，上止漏环出漏水较少，同时电
站又将顶盖排水总管接入了尾水锥管上段，这样有
可能会出现顶盖排水管路气液混杂现象，管路里的
气液两项流也会产生异常声音，此类现象在其它电
站发生过。
现场试验将顶盖排水总管直接接入集水井，运
行中保证顶盖排水管路全部充满水，试验结果表明
水轮机异常声音与顶盖排水管路没有关系。
4.4 强迫补气实验
在以上试验过程中，同时检查了水轮机主轴、顶
盖、导水机构、轴承及管路，机组的振动摆度以及瓦
温都很好，完全满足国家标准要求，首先排除了因金
属摩擦引起异常声音的可能性。至此，初步怀疑水轮
机内部的流体运动应该是产生异常金属声音的根
源，即卡门涡或者叶道涡，涡带频率与叶片某一阶固
有频率一致，使叶片共振产生金属的啸叫声，同时叶
片的振动导致叶片出水边中间位置挠度最大，产生
裂纹。
4.4.1 叶道涡
当水轮机偏离最优工况时, 在转轮叶片间可以
看到有一连串的涡束沿着两个叶片间流出, 这就是
叶道涡。叶道涡起源于偏离最优工况后转轮上冠进
口处的脱流。在高水头时,脱流发生在上冠叶片进口
的背面,当低于设计水头时,脱流发生在叶片正面进
口边。从叶道涡产生的水力原理看, 与尾水管涡带
一样,所有混流式水轮机偏离最优工况后,必然要发
生叶道涡。叶道涡的频率与转频一致，而甘然电站出
现的异常声音发生在部分负荷，与转频无关，因此可
以判定异常声音不来自叶道涡。
4.4.2 卡门涡
流体在经过非流线型物体或者具有出流厚度的
渊下转第62 页冤
杜世平：土第2 期 耳其甘然电站水轮机异常噪音问题分析和处理 59
流线型物体时，尾迹部分会产生两列左右对称、交替
排列、旋转方向相反的漩涡，这就是卡门涡。由于卡
门涡是交替从出流物体尾部排出，因此对出流物体
会产生一个周期作用力。当卡门涡频率与叶片某一
阶频率一致时，就会产生共振从而导致叶片裂纹及
异常声音。卡门涡的频率与流速和分离点厚度有关，
具体公式如下：
fv f = /
fv f———卡门涡泄出频率，Hz；
———stroubal数，对于混流式转轮，S=0.2~0.25；
———流动分离点的平均流速，m/s
———分离点的厚度，m；包括分离点物体厚度
和分离点边界层厚度；
经过计算发现，转轮叶片出口的卡门涡频率与
转轮水下固有频率比较接近，因此可以初步判定叶
片卡门涡是诱发异常声音和叶片裂纹的原因。
4.4.3 顶盖强迫补气
在导叶后转轮前的位置上，接入0.9 MPa 的压
缩空气，用以破坏叶片卡门涡的形成。实验表明，当
负荷为11 MW 时，补入少量压缩空气进入转轮后，
异常声音立即消除，随后进行多次变负荷实验，异常
声音均不再出现，证明叶片出口卡门涡与叶片共振
是产生异常的金属啸叫声音的原因，问题得以解决。
从卡门涡频率计算公式分析，解决问题的另一
种方法是修改叶片出水边型线，减少叶片出水边流
体分离点的厚度，从而提高卡门涡的频率，以避开与
转轮共振频率。从国内其他电站的处理经验看，这是
一个较好的处理方法，但是限于甘然电站正处于发
电任务期间，该项解决措施待今后进一步实施验证。
5 结论
近些年来，随着转轮研发技术的提高，转轮性能
特别是效率有了大幅度的提高。但是转轮稳定性问
题依然突出，特别是在大型机组上。一般中小型电站
由于机组刚度较好，水流较为稳定，很少发生异常声
音及叶片裂纹等问题，土耳其甘然电站在初期运行
就出现异常噪音，说明中小型水轮机的稳定性依然
值得重视。现场经过比对试验，确定是叶片出口卡门
涡与叶片共振产生异常金属声音，此问题的分析解
决也为今后中小型水轮机转轮设计及电站运行提供
一定的参考和借鉴作用。
参考文献：
[1] 石清华，尹国军.大朝山电站225 MW 水轮机转轮卡门涡
共振分析[J].东方电气评论，2005，19（3）：128-131.
[2] 高忠信，唐澍，梁贺志.水轮机固定导叶和活动导叶后的
卡门涡频率研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2005
（01）：22-26.
[3] 陈金霞，李国伟，刘胜柱，等.叶道涡产生机理及对水轮机
稳定性的影响[J].大电机技术，2007（03）.
渊上接第59 页冤
别，是由于两套装置为不同厂家生产，对“单相接地”
和“PT 断线”的判据不同，后者是以任一相对地电压
低于一定数值、二次侧零序电压高于一定数值时即
判断为“单相接地”；而前者判据与后者基本相同但
要外加“PT 断线”闭锁条件。因此主变和发电机继电
保护不发“单相接地”信号。
7 结束语
山美水电厂3 号机603 出口断路器C 相未分
闸造成故障，笔者调查了多个断路器制造厂家，上百
万台断路器均未出现过此状况，因此是一次非罕见
障碍；同时在同类发电厂中也从未出现过此障碍，因
此在故障分析上难免有所欠缺。但从本次故障中也
反映出以下问题：上位机发“10 kVⅢ母线6304PT 无
压”信号时，未能引起现场值人员的重视，以为是上
位机误发信号，既未到现场巡查又未上报生产技术
人员，导致故障长时间存在，给设备的安全运行造成
一定的损害，因此应在管理措施上加以防患；“10 kV
Ⅲ母线6304PT 无压”定义有误，应更改为“10 kVⅢ
母线6304PT 电压异常”；同时7 月4 日00：28，3 号
机停机后出口断路器C 相应该是在合位，而3 号主
变及发电机保护为什么均没有发出故障信号的原因
有待进一步分析和查明。

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