黃小飛

(湖北省電力公司 黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰442000)

混流式水輪機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、制造工藝成熟的優(yōu)點，是水電站運行的重要設(shè)備，對保障水電站低成本、高效益的運行具有重要作用，目前已在我國水電站中得到了大范圍的應(yīng)用和推廣。 隨著水輪機機組容量的提高、尺寸的增加以及剛度的降低，混流式水輪機機組運行的穩(wěn)定性問題更加突出，特別是機組震動、壓力脈動和葉片裂紋嚴重威脅著水輪機運行的安全和穩(wěn)定， 不利于水電站經(jīng)濟效益的實現(xiàn)，因此，對影響混流式水輪機穩(wěn)定性的因素進行分析，找出科學(xué)有效的應(yīng)對措施提高水輪機的穩(wěn)定性非常有必要。

1 影響混流式水輪機穩(wěn)定性的因素

1.1 水力方面

水力因素是引起混流式水輪機振動的最重要因素之一。水輪機處于工況運行，如果水輪機處于空載、小負荷或者是超負荷狀態(tài)時，水輪機不僅要承受水流的壓力荷載，還要承受壓力脈動和水力擾動引起的動態(tài)荷載，特別是當水輪機偏離最優(yōu)工況運行狀態(tài)時，比如處于低水頭50%左右負荷運行狀態(tài)的時候， 輪轉(zhuǎn)出口水流很容易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使得水流在尾水管中心區(qū)域產(chǎn)生真空， 當真空達到一定限度的時候，就會形成漩渦帶， 由于帶狀漩渦是水流繞尾水管進行的不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，尾水管必定會出現(xiàn)低頻壓力脈動，進而破壞尾水管，引起水輪機機組振動，最終影響混流式水輪機運行的穩(wěn)定性；如果水輪機機組轉(zhuǎn)動、固定部分間隙不均，轉(zhuǎn)輪中心就會與機組中心發(fā)生嚴重偏移，轉(zhuǎn)輪周圍的固定部分和轉(zhuǎn)動部分的間隙就會不斷變化，在變化過程中，轉(zhuǎn)輪在水壓力作用下就會形成一種合力，這種合力使轉(zhuǎn)輪中心與機組中心的偏移更加嚴重，在一定程度上加劇了對水輪機的振動；當水輪機機組運行狀態(tài)脫離了設(shè)計工況，水流在繞流葉片的過程中，在葉片的進口和出口就會交替出現(xiàn)渦列，如果轉(zhuǎn)輪葉片的振動頻率與葉片自振頻率相同或成倍數(shù)關(guān)系，就會產(chǎn)生共振，通常情況下這種共振表現(xiàn)為水流噪音，而當共振足夠強烈，則會引起葉片斷裂。

1.2 制造方面

在混流式水輪機加工制造方面，影響水輪機穩(wěn)定性的因素主要來自三個方面。第一，在加工工藝方面，由于混流式水輪機采用的焊接方式是T 型焊接，如果焊接出現(xiàn)誤差、熱處理不當或者是葉片的線形加工不夠精確，那么葉片進出口開口值就會出現(xiàn)不均勻，葉片上就會產(chǎn)生由水流引起的不平衡應(yīng)力，使得葉片容易在交替變化的負荷作用下出現(xiàn)疲勞，進而引起水輪機機組振動。 第二，葉片與下環(huán)、頂蓋的焊接部位是水壓力作用的集中應(yīng)力區(qū)，因此，過流部件區(qū)是最易產(chǎn)生疲勞的區(qū)域，流部件在水壓力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力進而產(chǎn)生彈性變形，水流的攪動也會引起下環(huán)、頂蓋的震動，當下環(huán)、頂蓋的固定震動頻率與水流振動頻率相同的時候，水輪機機組就會產(chǎn)生振動和噪音，對與頻率較大、轉(zhuǎn)速較低的機組來說，其過流部件所具有的固定頻率較小，更容易與水流震動頻率想接近。 第三，如果葉片出水邊相對于進水邊來說較薄，兩者之間強度就會出現(xiàn)較大差異，在水流的不平衡應(yīng)力作用下葉片易出現(xiàn)疲勞，進而產(chǎn)生破裂。

1.3 安裝運行方面

安裝也是影響水輪機穩(wěn)定性的重要因素之一，特別是導(dǎo)葉和軸承的安裝不同心導(dǎo)致軸線不正，迷宮環(huán)的間隙就會出現(xiàn)不均勻，容易引起水流震動和軸承機械振動。 此外，混流式水輪機是水電站得以正常運行的重要動力，承擔著電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰和調(diào)頻，所以，水輪機不可避免的要進行長時間的運行，那么水輪機轉(zhuǎn)輪在長期運行中必然會出現(xiàn)疲勞，過度循環(huán)的旋轉(zhuǎn)使得水輪機裂紋產(chǎn)生的幾率大大增加。

2 提高混流式水輪機穩(wěn)定性的措施

2.1 提高水力設(shè)計的科學(xué)性與合理性

水輪機制造企業(yè)在進行水輪機設(shè)計的時候，必須確保水力設(shè)計的科學(xué)性與合理性，只有這樣才能夠保證水輪機的穩(wěn)定性。首先，泄水錐對壓力脈動具有重要作用，這就要求設(shè)計者要充分吸收國內(nèi)外先進設(shè)計成果，通過對水電站的模擬試驗，對泄水錐進行優(yōu)化，使泄水錐充分發(fā)揮減輕帶狀漩渦區(qū)壓力脈動的作用；其次，在尾水管內(nèi)設(shè)計新型穩(wěn)定裝置，比如穩(wěn)流片、同心圓等，改善水輪機組運行的穩(wěn)定性，此外，尾水管補氣裝置的補氣結(jié)構(gòu)、方式甚至是補氣量都會對水輪機的運行帶來影響，試驗證明，優(yōu)化頂蓋裝置能夠有效解決特殊壓力脈動。在進行水輪機選型設(shè)計的時候，必須對水輪機效率特性、汽蝕特性、穩(wěn)定性三者之間的關(guān)系進行詳細的分析和研究，合理選擇水輪機比速和設(shè)計水頭，優(yōu)化額定工況點的效率，正確確定水輪機的吸出高度和安裝高程，降低汽蝕系數(shù)，從根本上改善混流式水輪機的穩(wěn)定性。

2.2 提高混流式水輪機制造質(zhì)量

混流式水輪機機組的質(zhì)量是影響水輪機運行穩(wěn)定性的重要因素，因此在制造過程中必須從材質(zhì)、制造工藝、葉片加工工藝、機組焊接工藝等方面加強對水輪機質(zhì)量的控制。 首先，提高水輪機流通部件比如頂蓋、下環(huán)、轉(zhuǎn)輪的剛度，降低水力作用下的變形，在制造的時候應(yīng)采用不銹鋼，解決焊接質(zhì)量問題，比如鑄件應(yīng)采用VOD 精煉，由于轉(zhuǎn)輪是水輪機的核心部件， 在制造前必須對其固定頻率進行優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計時必須充分考慮轉(zhuǎn)輪固定頻率、尾水管固定頻率與低壓負荷時水流渦帶頻率之間發(fā)生共振的可能性，盡量使三者遠離共振區(qū)，然后通過計算機軟件對轉(zhuǎn)輪進行造型，用五軸數(shù)控加工，將葉片的厚度控制在合理范圍內(nèi)，確保葉形的精確性，在轉(zhuǎn)輪進行粗加工后，要進行一定的靜態(tài)平衡實驗，有效降低轉(zhuǎn)輪重量與葉輪、葉形之間的偏差。在后期對水輪機進行維護也是質(zhì)量控制的有效手段，可采用補焊的方法對轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉因汽蝕、磨蝕產(chǎn)生的破壞進行修復(fù)，并加強對轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉變形的監(jiān)測，進行補焊修復(fù)后要進行靜平衡試驗，為修復(fù)后水輪機運行的穩(wěn)定性提供保障。此外，要加強對水輪機的日常養(yǎng)護和管理，規(guī)定水輪機的運行范圍和運行時間，在運行過程中盡量避開振動區(qū)域，在日常運行中最大限度減少機組開機和停機次數(shù)， 并加強機組的在線檢測，確保獲得水輪機機組運行工況參數(shù)的及時性和準確性。

3 結(jié)語

總之，混流式水輪機的穩(wěn)定性直接關(guān)系著水電站運行安全性和穩(wěn)定性，也關(guān)系著水電站經(jīng)濟效益的實現(xiàn)，要保證水輪機高效穩(wěn)定的運行，就必須從全方位、多角度著手，將提高水輪機的穩(wěn)定性貫穿于水輪機水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、安裝、運行的整個過程中，保證水輪機的質(zhì)量，使水輪機更加符合水電站安全運行的規(guī)范標準，進而提高水電站的工作效率，實現(xiàn)水電站經(jīng)濟效益和社會效益的雙收。

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