Francis-tyyppisen vesiturbiinin akustisen värähtelyn tunnistaminen ja aiheuttajien kartoitus

Francis-tyyppisessä vesiturbiinissa (P=800 kW) esiintyy virtausolosuhteiden muuttuessa korkeataajuista virtausherätteistä värähtelyä, joka ei ole vaikuttanut turbiinin energian tuotantoon. Turbiiniiin on tehty viime vuosina erilaisia muutoksia, joiden vaikutusta värähtelyn syntyyn on epäilty. Toisaalta viimeisenä tehdyssä kunnostuksessa ei puututtu turbiinin johtosiipien säätömekanismeissa mahdollisesti esiintyviin välyksiin / kulumiseen. Periaate turbiinissa on, että pyörimsnopeus pysyy vakiona ja tehon muutos tehdään läpivirtausta (syntyvää momenttia) muuttamalla; eli pyörivien komponenttien ja niiden laakeroinnin aiheuttamat herätetaajuudet pysyvät samoina.

Akustisesti aistittava värähtely ilmeni korkeilla taajuuksilla ja se ilmeni alhaisilla solukkeiden avauksilla noin 1100 Hz taajuudella ja korkeammilla avauksilla 1850 Hz taajuudella. Näiden avausten välissä värähtelyä ei esiintynyt. Värähtely taajuudet esiintyivät perustaajuudella ja siihen liittyneillä sivunauhoilla (sideband), joiden taajuus oli juoksupyörän pyörimistaajuus ja sen monikerrat. Värähtelynopeuden kokonaistasoon korkeataajuiset värähtelyt eivät juurikaan vaikuta erityisesti niiden esiintymistaajuuden ollessa yli 1000 Hz.

Turbiinin vierintälaakerit oli uusittu viimeisten korjaustoimenpiteiden yhteydessä; mittauksilla ei havaittu indikaatiota laakerivauriosta. Tätä tuki myös käyttöhenkilökunnan havainnot ennen laakerinvaihtoa esiintyneestä äänestä, jonka vaihtelu muistutti mitattua tilaa.

Koska virtaustilanteen muutos herätti erityisesti akustisena (äänenä) havaittavan vasteen, ja vasteen ilmenemistaajuus vaihteli virtaustilanteen mukaan, oli oletettavaa, että värähtelyn synnyttää virtaus, joka herättää rakenteen ominaistaajuuden. Mittausten, analyysien ja tehtyjen/tekemättömien korjaustoimenpiteiden yhteenvetona päätelmä värähtelyn aiheuttajaksi liittyi solukkeiden liikutusmekanismeissa mahdollisesti esiintyvät /vuosien aikana kasvaneet välykset. Välyksellisissä liitoksissa syntyvät impulssiherätteet ovat otollisia lähteitä ominaistaajuuksien herättäjinä ja toisaalta virtauksen aiheuttama jatkuva dynaaminen voima välyksellisen liitosta jatkuvana poikkeuttajana. 

Turbiiniin tulee lähiaikoina mahdollinen juoksupyörän uusinta minkä yhteydessä tarkistetaan / uusitaan solukkeet.