高水头抽水蓄能机组减振降噪评估及工程实践.pdf

20水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,20230引言近年来，抽水蓄能技术在我国得到了飞速发展，一大批高（超高）水头抽水蓄能电站相继开工建设和运行。然而，随着抽水蓄能电站井喷式的发展，一些问题也逐渐暴露出来，最具代表的是机组振动和噪声超标问题。黑麋峰抽水蓄能电站运行时机组振动严重，无叶区压力脉动超出规定安全值，转轮产生多条裂纹，最后采取更换转轮的方式解决该问题1。张河湾抽水蓄能电站自投运以来，机组在发电工况运行时，厂房内一直存在强烈的噪声，厂房楼板、立柱、楼梯等构件的振动比较强烈，振动和噪声随着负荷增大而增强。通过对机组振动和压力脉动测试，发现在额定转速下振动主频为 100Hz，即 2 倍叶片通过频率，厂房部分结构也存在接近 100Hz 的自振频率，易形成共振风险。最终，张河湾抽水蓄能电站通过更换转轮解决振动问题2-4。此外，国内蒲石河、溧阳、白山、惠州等抽水蓄能电站也均存在不同程度的振动和噪声问题5-10。振动和噪声问题一方面严重影响机组安全稳定运行，另一方面对环境造成噪声污染，影响电站运行人员的身心健康。因此，机组设备制造厂家需采取措施，解决机组振动和噪声问题，保证机组安全稳定运行。东方电机在某高水头抽水蓄能机组（该机组叶片数为 9，活动导叶数为 20，额定转速为428.6r/min）调试过程中，也发现了顶盖振动严重和噪声超标等问题，下文将对该问题及东方电机为该电站减振降噪所开展的相关工作进行介绍。1振动和噪声情况及分析1.1现场实测数据该高水头抽水蓄能机组出现振动和噪声超标现象一般出现在额定及以下水头大负荷工况。下文将以额定水头的顶盖振动为例进行介绍。（1）顶盖振动。从图 1 可以看出，顶盖垂直振动随出力增加呈先减后增的趋势，在 40%80%Pr负荷振动小，100%Pr负荷振动大。通过频谱分析，发现振动的优势主频为 128.5Hz（占比达 95%以上），即 18 倍转频（2 倍叶片通过频率）。（2）噪声情况。在水车室和尾水门处安装的噪声探头测试噪声，测试显示噪声的优势主频也为 128.5Hz，即 2 倍转轮叶片通过频率。通过手持式噪声计分贝值测试，在水车室内和尾水门处 1m 远测得声压分贝。在额定出力下，水车室的 dB 值在103 105.5dB 之间，尾水门在 94.7 98.8dB 之间，即水车室的噪声明显高于尾水门的噪声。此外，额定水头 75%Pr的噪声低于额定工况的噪声，且人体感觉相对较好。高水头抽水蓄能机组减振 降噪评估及工程实践管子武，冷在军，陈舰，何启源，梁权伟（东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市618000）摘要：振动和噪声超标问题在高水头抽水蓄能机组较为常见，其产生原因与无叶区压力脉动相关。因此，抽水蓄能电站减振降噪的有效措施之一是降低无叶区压力脉动。本文开展真机尺度三维非定常可压缩数值计算，预测转轮修型对无叶区压力脉动的降低程度，进而评估转轮修型的减振降噪效果。计算结果显示，修型方案能够有效降低无叶区压力脉动混频幅以及 18 倍转频幅值，对改善机组振动和噪声问题非常有效。现场实测数据显示，改造后无叶区压力脉动降低程度与数值预测结果非常接近，机组顶盖振动和水车室噪声也得到了明显的改善。关键词：抽水蓄能机组；转轮修型；减振降噪；无叶区；压力脉动中图分类号：TV734.1文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.04.00321管子武等：高水头抽水蓄能机组减振降噪评估及工程实践 020406080100123456出力P/Pr/%顶盖振动/(mm.s1)顶盖X+顶盖X=顶盖Y+顶盖Y=图 1顶盖振动随出力变化（“+”代表垂直振动，“=”代表水平振动）Figure 1The head cover vibrations vary with unit output（+means vertical vibration，=means horizontal vibration）1.2分析机组振动和噪声一般由流道内的压力脉动产生。现场实测数据显示，无叶区压力脉动幅值较大，且随水头降低而增加。图 2 显示的是额定水头蜗壳、无叶区和尾水管压力脉动峰峰值随出力变化趋势。从中可以看出，压力脉动峰峰值随出力增加先减小后增加，额定出力大于 75%负荷。这个变化趋势与顶盖垂直振动趋势相同。110100908070605040302002468101214161820P/Pr/%H/H/%蜗壳无叶区尾水管图 2蜗壳、无叶区和尾水管压力脉动峰峰值 随出力变化情况Figure 2The peak to peak amplitudes of pressure fluctuation in the spiral casing，vaneless zone and draft tube vary with unit output图 3 显示的是 75%负荷和 100%负荷无叶区压力脉动频谱特征。从中可以看出，无叶区压力脉动第一主频为 18 倍频，即 2 倍叶片通过频率。这与顶盖振动频率和噪声的频率特征相同。654321001020304050f/fnA/%100%Pr75%Pr 图 375%和 100%额定出力下，无叶区 压力脉动频谱特征Figure 3The spectra of pressure pulsation in the vaneless zone under 75%and 100%rated output conditions由此可以初步判断，该抽水蓄能电站振动和噪声问题是由无叶区压力脉动引起的，而无叶区压力脉动主要受动静干涉影响。所谓动静干涉，即在水轮机工况下，转轮叶片周期性切割活动导叶尾流，叶片头部势流与切割引起的流场扰动间相互作用，产生较大的压力脉动现象。1.3转轮修型由上文分析可知，该抽水蓄能电站的振动和噪声问题由无叶区压力脉动产生，或由动静干涉效应引起。因此，解决或改善该电站振动和噪声问题的思路即减弱动静干涉效应。动静干涉效应与导叶数和转轮叶片数关系密切，也与两者的空间位置、导叶和转轮叶片的形状也有关系。在成本最低的条件下改善该电站振动和噪声问题的方法即为转轮修型，或转轮叶片头部修型。本文的转轮修型是对叶片头部进行处理，增加叶片头部与活动导叶之间的距离，最终修型方案见图 4（中间截面）。2数值预测方法简介转轮修型对无叶区压力脉动能够降低多少？对机组顶盖振动和噪声能够改善多少？叶片修型能否达到预期效果？为22水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023回答这些问题，需对转轮修型后的压力脉动进行预测，通过与修型前压力脉动对比，定性甚至定量评估压力脉动降低程度，进而评估振动和噪声的改善程度。图 4转轮修型前后对比（蓝线为修型前，粉红线为修型后）Figure 4Blade profile comparison between original（blue line）and modified runner（pink line）目前，对真机的压力脉动预测存在一定的困难。模型试验的压力脉动幅值与真机没有比拟关系。因此，预测真机压力脉动的途径只有数值计算。但传统的基于不可压缩流体的数值计算方法得到的压力脉动结果与模型试验和真机都有很大的误差，无法评估转轮修型效果。基于此，本文将采用考虑水体可压缩性的计算方法来预测修型转轮的压力脉动水平。2.1计算方法简介基于水体可压缩性的数值计算方法在很多文献都有所提及11-14。这种计算方法得到的结果，更接近实际测量结果。下文将对可压缩计算方法进行简单介绍。在等熵条件下，声速为：2Pu=（1）对公式进行一阶近似，即可得到水体可压缩性的表达式：200()/PPu=+-（2）式中：水的密度；0水的参考密度；P0参考压强；u水的声速。将上式植入 CFX 软件，便可开展相关计算。2.2计算模型本文的计算是在真机尺度下进行的，其三维模型如图 5所示，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等5 个过流部件。无叶区压力脉动监测点 Vx+、Vy+、Vx-和 Vy-均匀布置在与真机压力脉动测点相同的 4 个位置，如图 5所示。蜗壳固定导叶活动导叶转轮尾水管Vx+Vx+VvVv+图 5水泵水轮机真机计算物理模型及无叶区压力测点Figure 5Numerical model of the pump turbine and pressure monitors in the vaneless zone2.3计算设置采用总压进口和 opening 出口作为水轮机工况的进出口边界条件；活动导叶与转轮、转轮与尾水管之间的动静交界面采用 transient rotor stator 模式；壁面采用无滑移边界条件；使用 SST 湍流模型；将同一工况定常计算稳定后的结果作为非定常计算的初始流场。为了定性评估振动和噪声改善程度，本文计算工况点选为额定水头 75%Pr和 100%Pr两个工况。23管子武等：高水头抽水蓄能机组减振降噪评估及工程实践10505100.00.51.01.52.02.53.0H/H/%10505100.00.51.01.52.02.53.0H/H/%t/Tt/T修型转轮原转轮图 675%Pr工况原转轮与修型转轮对比（时域）Figure 6Time history of pressure fluctuation，comparison between original and modified runner under 75%Pr output condition10505100.00.51.01.52.02.53.0H/H/%t/T10505100.00.51.01.52.02.53.0H/H/%t/T修型转轮原转轮图 7100%Pr工况原转轮与修型转轮对比（时域）Figure 7Time history of pressure fluctuation，comparison between original and modified runner under 100%Pr output condition计算方法验证和确认见作者文献 15 的数值方法部分。3减振降噪效果评估3.1转轮修型前后压力脉动对比图 6 和 7 显示的是原转轮和修型转轮三个周期内压力脉动对比情况，从中可以看出，修型转轮的压力脉动幅值降低非常多。图 8 和图 9 显示的分别是 75%Pr和 100%Pr两个工况原转轮和修型转轮无叶区压力脉动峰峰值、18 倍和 9 倍转频分频幅值的对比情况。从中可以看出，修型转轮无叶区压力脉24水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023动第一主频也为 18 倍转频，与原转轮一样，即对转轮叶片头部修型，并未改变第一主频特征。从图 8 可以明显看到，75%Pr工况下，修型转轮的压力脉动幅值降低非常明显。原转轮压力脉动峰峰值的计算结果为 14.29%，修型转轮为 8.68%，下降约为 39%；原转轮 18倍转频的分频幅值为 5.61%，修型转轮为 3.03%，其幅值约降低 46%。151050A/%峰峰值18倍转频9倍转频原转轮修型转轮 图 875%Pr工况原转轮与修型转轮幅值对比Figure 8Amplitude comparisons between original and modified runner under 75%Pr output condition原转轮修型转轮15201050A/%峰峰值18倍转频9倍转频 图 9100%Pr工况原转轮与修型转轮幅值对比Figure 9Amplitude comparisons between original and modified runner under 100%Pr output condition由图 9 可知，100%Pr工况下，修型转轮的压力脉动显著降低。原转轮压力脉动峰峰值为 17.53%，修型转轮为 11.6%，只有原转轮的 66%，下降非常明显；原转轮的 18 倍频的分频幅值为 6.99%，而修型转轮仅有原转轮的 60%，降低也非常明显。修型转轮第一主频 18 倍转频的分频幅值为 4.12%，相比原转轮降低 40%。通过评估，初步判断转轮修型方案对无叶区压力脉动降低程度在 40%50%之间。3.2减振降噪效果评估为定性评估转轮修型减振降噪的效果，本文对比了修型转轮 100%Pr工况与原转轮 75%Pr工况压力脉动幅值（见图10）。通过对比可以发现，修型方案在 100%Pr工况下无叶区的压力脉动 18 倍转频分频幅值、峰峰值和 9 倍转频分频幅值均比原转轮 75%Pr工况小。这说明，修型转轮在额定负荷顶盖振动和噪声比原转轮 75%Pr的小，即修型方案能够有效改善该抽水蓄能电站的振动和噪声问题。修型转轮_100%Pr_18倍转频原转轮_75%Pr_18倍转频修型转轮_100%Pr_9倍转频原转轮_75%Pr_9倍转频修型转轮_100%Pr_峰峰值原转轮_75%Pr_峰峰值20151050Vx+Vy+VyVxA/%图 10修型转轮 100%Pr工况与原转轮 75%Pr 工况压力脉动幅值对比Figure 10Amplitude comparisons between modified runner under 100%Pr output condition and original runner under 75%Pr output condition4改造效果根据业主要求，电站对其中一台机组进行转轮修型改造。改造后东方电机测试人员根据要求和电站实际运行条件，进行相关现场试验。4.1无叶区压力脉动对比图 11 显示了改造机组在额定出力下，改造前后无叶区压力脉动现场试验结果的对比。从中可以看出，改造后无叶区压力脉动混频幅值下降明显。图 12 显示的是改造前后无叶区压力脉动峰峰值随出力变化情况（改造后的数据为水头 H*的数据）。图 13 显示的是改造前后压力脉动幅值下降幅度与数值计算对比情况。从中可以看出，数值预测结果与现场实测数据十分吻合。25管子武等：高水头抽水蓄能机组减振降噪评估及工程实践151050HH*检修前检修后无叶区压力脉动峰峰值/%图 11电站检修前后机组额度出力下无叶区 压力脉动峰峰值对比（图 12 和 13 检修后的数据为水头 H*的数据）Figure 11Comparisons of peak to peak amplitudes of pressure fluctuation in the vaneless zone between before and after unit refurbishment under full load condition（the data of head H*is used in Figure 12 and Figure 13）2520151050255075100检修前检修后无叶区压力脉动峰峰值/%机组出力P/Pr/%图 12检修前后无叶区压力脉动随机组 出力变化规律Figure 12Pressure peak to peak amplitudes in the vaneless zone vary with output before and after unit refurbishment4.2机组振动和噪声对比图 14 显示的是额定出力下，改造前后机组顶盖振动对比情况，从中可以看出，修型之后顶盖振动明显下降。同一水头下，顶盖垂直振动降低约 0.5mm/s，水平振动降低约0.9mm/s。水车室的噪声也相应降低，下降了约 6dB。因此，转轮修型效果十分明显。现场测试值计算预估值无叶区压力脉动降低幅度/%50403020100100%Pr75%Pr图 13检修后无叶区压力脉动降低程度 与数值计算对比Figure 13Comparisons of amplitude reduction in the vaneless zone between numerical prediction and experimental results after unit refurbishment 2.52.01.51.00.50.0H检修前垂直振动检修前水平振动检修后垂直振动检修后水平振动顶盖振动/(mm.s1)图 14转轮修型前后顶盖振动幅值对比Figure 14Comparisons of head cover vibration between before and after unit refurbishment95100105110H检修前检修后水车室噪声/dB 图 15转轮修型前后水车室噪声对比Figure 15Comparison of turbine pit noise between before and after unit refurbishment26水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,20235结论本文针对某抽蓄电站水泵水轮机运行时产生振动和噪声问题，采用可压缩方法对水泵水轮机真机进行数值计算。通过对比转轮修型后无叶区压力脉动的幅值，评估机组振动噪声改善程度，得到以下结论：（1）可压缩计算方法能较为准确预测真机无叶区的压力脉动特性，特别是 18 倍转频。合理预测无叶区压力脉动的降低幅度，可压缩计算值与现场实测结果非常接近。（2）通过对比转轮修型前后压力脉动幅值和 18 倍转频分频幅值，预测了转轮修型方案对无叶区压力脉动的降低程度，定性评估修型方案的减振降噪效果，并得到现场实测数据的佐证。参考文献1 刘平.黑麋峰抽水蓄能电站变参数工况机组及厂房振动试验分析 C/抽水蓄能电站工程建设文集 2019：222-226.2 路建，胡清娟，谷振富，等.张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机动静干涉问题及处理 J.水电与抽水蓄能，2019（2）：91-95.3 唐拥军，樊玉林.张河湾抽蓄电站运行时过大厂房振动分析与处理 J.水电能源科学，2019，37（5）：149-151，158.4 唐拥军，樊玉林.张河湾抽蓄电站 3 号机组异常振动分析与处理 J.中国水利水电科学研究院学报，2020，18（2）：155-160.5 谢文祥，张韬，覃大清，等.蒲石河抽水蓄能电站 1 号机转轮改造水力稳定性研究与实践 J.大电机技术，2022（3）：69-76.6 马运翔，彭辉，倪海梅，等.溧阳抽水蓄能电站机组振动和摆度异常治理 J.水力发电，2018，44（10）：47-50.7 张超，詹才锋.惠州抽水蓄能电站厂房振动及噪音研究 J.水电能源科学，2014，32（10）：87-90.8 王涌涛，崔莉.白山抽水蓄能电站拦污栅条振动研究 J.水力发电学报，2005（05）：93-97.9 张军，伍鹤皋，刘建，等.洪屏抽蓄电站地下厂房对不同频域压力脉动的振动响应 J.中国农村水利水电，2016（6）：155-159，163.10 欧阳金惠，耿峻，许亮华，等.某大型抽水蓄能电站厂房强烈振动原因分析与减振措施研究 J.水利学报，2019（8）：1029-1037.11 YAN J，KOUTNIK J.，SEIDEL U.，Compressible simulation of rotor-stator interaction in pump-turbines.International Journal of Fluid Machinery and Systems，2010，3（4）：315323.12 YIN J L，WANG D Z，WANG L Q，et al.Effects of water compressibility on the pressure fluctuation prediction in pump turbineC.IOP Conference Series Earth and Environmental Science，15（2012），15（6）：2030.13 YANG J，LIU J，LIU X，et al.Numerical study of pressure pulsation of centrifugal pumps with the compressible modeJ.Journal of Thermal Science，2019（28）：106-114.14 阮辉.考虑流体可压缩性的高水头水泵水轮机性能研究与优化 D.西安：西安理工大学.2018.15 贾维斌，管子武，冷在军，等.满负荷工况下水泵水轮机动静干涉效应研究 J.水电与抽水蓄能，2023，9（4）：28-33.收稿日期：2023-07-12 修回日期：2023-07-15管子武（1984），男，高级工程师，主要研究方向：水轮机水力研发及水力稳定性研究。E-mail：冷在军（1996），男，助理工程师，主要研究方向：水轮机水力研发。E-mail：陈舰（1974），男，高级工程师，主要研究方向：水泵水轮机水力研发。E-mail：何启源（1977），男，正高级工程师，主要研究方向：发电设备结构刚强度计算、结构设计和优化，水轮机发电机组振动噪声检测和诊断，水轮机发电机组运行稳定性研究，对解决电站机组振动等疑难杂症方面具有丰富的经验。E-mail：梁权伟（1978），男，正高级工程师，主要研究方向：水泵水轮机水力研发，结构刚强度优化设计，水轮机发电机组运行稳定性研究，冲击式水轮机水力模型、模型试验、结构等研发体系和平台建设等，对水泵水轮机研发、运行、冲击式水轮机研发等方面有很深的造诣。E-mail：Vibration and Noise Reduction of a High Head Pump Turbine：Prediction and PracticeGUANZiwu，LENGZaijun，CHENJian，HEQiyuan，LIANGQuanwei（DongFangElectricMachineryCo.Ltd.，Deyang618000，China）Abstract：Vibrationandnoisearecommonphenomenainhighheadpumpedstorage，andmostofwhicharecausedbypressurepulsationsinthevanelessareabetweenrunnerandguidevanes.Therefore，oneoftheeffectivemeanstoweakenunitvibrationandnoiseistoreducepressurepulsationsthere.Inthispaper，athree-dimensionalunsteadycompressiblenumericalmethodwascarriedouttopredictthepressurepulsationreductioninthevanelesszone，andtoforecastunitvibrationandnoisereduction，bymodifyingrunnerblades.Thenumericalresultsshowedthatthepeaktopeakamplitudesofthepressurepulsationandtheamplitudesof18timesbladepassingfrequencyinthevanelessregionwereattenuatedextremelyafterrunnermodification，whichimplicatedthatthevibrationandnoiseproblemscouldbesolvedeffectively.Thenumericalforecastwasconfirmedbytheexperimentalresults，whichmeansthatthereductionofpressurepulsationinthevanelessareapredictedbynumericalmethodagreedwellwiththeexperimentalresults，andthevibrationofheadcoverandnoiseofturbinepitwerecutdownsignificantlyafterrefurbishment.Keywords：pumpturbine；runnermodify；reducevibrationandnoise；vanelesszone；pressurepulsation