1.4 压力脉动对水轮发电机组运行的影响与判断

机组振动随工况的变化趋势与压力脉动随工况的变化趋势之间有十分良好的一致性，后面有许多这样的实例。

各种常规压力脉动对机组运行的影响通常比较缓和，对大型和巨型机组的影响相对较大，对不同机组的影响也不尽相同。

在常规压力脉动中，涡带压力脉动最受关注。它可以引起机组的振动、大轴摆度、功率振荡或其他异常情况。但涡带压力脉动引起的机组振动，不都是超过允许值的。事实上，涡带压力脉动的频率比较低，它对机组振动的影响，远没有小开度区压力脉动和某些异常压力脉动大。

异常压力脉动可能会引起机组强烈的振动和噪声，引起转轮叶片的较大动应力，导致或促进转轮叶片的疲劳裂纹，此外还可能引起发电机的功率摆动、直接或间接引起厂房建筑物的振动或共振等。各种异常压力脉动虽然比所在工况的常规压力脉动强烈，但其绝对幅值并不一定都很大，它们对各个电站及电站各个机组振动的影响往往是不同的，需要具体分析、区别对待。

压力脉动实际上是一种水力能量的无谓消耗，它与水轮机效率也有很好的相关性。虽然它对水轮机效率的影响现在还没有提到日程上加以考虑，但如果能够避免在这些工况下运行，或者能在一定程度上减小压力脉动，总是有利于机组的安全、高效运行。例如，在涡带工况区进行适量的补气，水轮机的效率就会有明显的提高。

在现场实际测量的结果中，同一工况下，多种压力脉动交叉、叠加在一起，共同构成通频值。这就有可能将一部分压力脉动的特征掩盖起来。如果需要区分它们，就需要进行频谱分析和其他相应分析。第8章中的图8.3就是一个压力脉动相互叠加的实例，在这个例子中，涡带压力脉动的工况特征就没有显示出来：小开度区常规压力脉动和出现在小开度区的异常压力脉动也叠加在一起，它们又和涡带压力脉动叠加在一起，共同形成一个压力脉动的峰值。通过频谱分析就可以把它们区分开来。

识别和判断水力因素或压力脉动的性质和产生原因，更直接的目的是识别或判断机组振动的原因，这是水电站现场常会遇到的问题。

水轮发电机组存在三种影响机组振动稳定性的原因，即机械原因、电磁原因和水力原因。其中，机械原因产生的激振力（包括机械不平衡力）与转速频率的平方成比例，在额定转速下运行的机组，由机械原因产生的激振力是恒定的（除非机械缺陷不断地在变化）；而由电磁原因产生的激振力（主要是电磁不平衡力），在发电机出口电压达到额定值时，就达到了最大值。这意味着，当水轮发电机组并入电网正常运行时，由机械原因和电磁原因引起的激振力就达到了最大值并保持为常数。这就提供了一个区分水力原因对机组振动稳定性影响的可行途径。

1.区分水力因素影响的背景振动线

所谓“背景振动线”，就是表示由机械和电磁两种原因引起的总振动水平的水平线。如果忽略最优工况下水力原因对机组振动稳定性的影响，则对应最优工况的最低振动就是由机械和电磁两种原因共同引起的，而大于这个最低振动的部分，就是由水力原因所引起。有时，这个最低振动也可能出现在小开度区。通过最低振动通频值画一条水平线，它就是机组水力振动的背景振动线。

图1.11为一台混流式水轮发电机组一个部位的振动随负荷的变化趋势。图1.11中虚线所示就是背景振动线，在这条水平线以上的振动，就是由水力原因（即各种压力脉动）引起的。

图1.11 区分水力因素对振动影响的示意图

对于不同部位的测点，它们的最低值不同。如果通过每个部位最低振动幅值都作一条水平线，则每条水平线以上的振动部分，都是水力因素对这个测量部位振动的影响。水力因素对每个部位的影响通常是不同的，在后面的诸多实例中可以看到这一点。

2.各种压力脉动对机组振动影响的区分

除了区分水力原因对机组振动稳定性的影响外，有时还需要进一步区分各种压力脉动分别产生的影响。基本方法是进行频谱分析。但根据不同的情况，可能有如下几种不同的方法和要求：

（1）区分三种常规压力脉动引起的振动。这是最简单的区分方法：只要按照开度或机组出力把三个工况区划分开来就可以了。比较准确的方法是，首先根据频谱分析确定出涡带工况区的位置，它的左侧就是小开度区，右侧就是最优工况区和大开度区。在区分常规压力脉动引起的振动时，常常需要排除异常压力脉动的影响。

（2）区分几种不同频率压力脉动的影响。这通常在进行一些专门问题分析时才需要，一般都采用频谱分析的办法，分别得到压力脉动和机组振动对应的基波值或谐波值，然后进行分析和对比，但不能与通频值进行比较。

（3）区分异常压力脉动对机组振动的影响。通常可以用频谱分析的方法分别得到压力脉动和机组振动对应频率的基波值并进行分析对比；如果带通滤波器足够精确，可以得出相应某种频率带宽中压力脉动或振动的近似通频值；如果只是进行粗略地估计，也可以在趋势图上用连线法求得。