高健

（四川松林河流域開發(fā)有限公司,四川 石棉 625400）

我國(guó)的水資源非常豐富，而且也是電力生產(chǎn)的大國(guó)，因此我國(guó)不僅有數(shù)量龐大的火電廠，還有一些太陽(yáng)能的發(fā)電站和風(fēng)力的發(fā)電站等。因?yàn)槲覈?guó)的河流非常多，且河流所處的地形十分復(fù)雜，高度落差很大，進(jìn)而在水力資源方面的潛能巨大。依靠水力發(fā)電，自然需要水輪機(jī)的幫助，水輪機(jī)情況的好壞，將會(huì)直接對(duì)水電站中水力開發(fā)的效率和質(zhì)量產(chǎn)生影響。但就目前來(lái)看，由于人們?cè)谒啓C(jī)的水力穩(wěn)定性方面的了解還過(guò)于淺顯，進(jìn)而導(dǎo)致水輪機(jī)在穩(wěn)定性方面的問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。本文就影響混流式的水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，希望可以對(duì)癥下藥，并使水力不夠穩(wěn)定的情況得到緩解。

1 混流式水輪機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

混流式的水輪機(jī)可以被認(rèn)為是目前應(yīng)用最廣泛的一類水輪機(jī)，此類水輪機(jī)的水頭適用范圍是十幾米至幾百米，但在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，水頭大多為二十至七百米之間，因此這類水輪機(jī)適用于流量的變幅和水頭都比較大的電站，其具有重量輕、尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高以及操作和維護(hù)比較方便等優(yōu)勢(shì)，是目前開發(fā)的水力資源中，水頭比較高的是一類優(yōu)良機(jī)型。目前許多正在在建以及待建的巨型機(jī)組內(nèi)都是用到了混流式的水輪機(jī)，由于龍灘、拉西瓦以及三峽等大型的水電站建設(shè)的成功，且大批千瓦級(jí)混流式的機(jī)組的投產(chǎn)成功，使得在我國(guó)大型混流式水輪機(jī)方面的技術(shù)被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并且在相關(guān)的技術(shù)上也有非常大的進(jìn)步。近些年以來(lái)，由于引進(jìn)和吸收了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，使得在高水頭的混流式的水輪機(jī)技術(shù)方面也有非常大的成果。對(duì)這些年混流式水輪機(jī)的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)未來(lái)這方面技術(shù)的發(fā)展將朝著穩(wěn)定運(yùn)行的范圍更寬、容量更大以及水頭更高的方面邁進(jìn)。

2 影響混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的因素

（1）機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程。我們知道不同程度的振動(dòng)，在混流式水輪機(jī)機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中廣泛存在，且水輪機(jī)的不同程度振動(dòng)都可能對(duì)其正常的工作產(chǎn)生一定影響。當(dāng)振動(dòng)太輕時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)的機(jī)組在運(yùn)行時(shí)不夠穩(wěn)定；當(dāng)振動(dòng)太重時(shí)，可能會(huì)破壞機(jī)組以及廠房。另外，振動(dòng)產(chǎn)生的影響是多方面的，比如水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片部分被損壞，水管部分有裂縫產(chǎn)生等。一旦振動(dòng)過(guò)大，甚至還可能會(huì)對(duì)堤壩以及水庫(kù)的安全產(chǎn)生威脅，特別是對(duì)于那些大型的水電站，由振動(dòng)所引起的危害會(huì)更大。

（2）水力因素。在非設(shè)計(jì)的工況下，由于運(yùn)行而導(dǎo)致的水輪機(jī)的振動(dòng)。水輪機(jī)機(jī)組的振動(dòng)可以被認(rèn)為是目前影響混流式的水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的非常重要的原因。尤其是近些年以來(lái)，水電站的快速發(fā)展促進(jìn)了大型混流式水輪機(jī)的普遍應(yīng)用，進(jìn)而振動(dòng)問(wèn)題的出現(xiàn)，也就屢見不鮮了。不管水輪機(jī)的類型怎樣，是國(guó)內(nèi)或者是進(jìn)口的，都可能會(huì)在某種程度上出現(xiàn)振動(dòng)方面的問(wèn)題。因此振動(dòng)這一現(xiàn)象，儼然已在國(guó)際水電事業(yè)的進(jìn)步發(fā)展中成為了一個(gè)難題。

由尾水管內(nèi)空腔渦帶引起的壓力脈動(dòng)。在特定負(fù)荷的情況下，混流式的水輪機(jī)在尾水管中會(huì)形成一些旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，進(jìn)而形成尾水管的渦帶。因此，隨著尾水管中空腔渦帶在水輪機(jī)機(jī)組中引起壓力脈動(dòng)，機(jī)組也會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題。

由不平衡的脫流和卡門渦引起的壓力脈動(dòng)。在水輪葉片中，出水的部分通常是出現(xiàn)卡門渦的常見方位，卡門渦在水流現(xiàn)象中屬于非常不穩(wěn)定的一種。即使是工況最優(yōu)的情況下，這一現(xiàn)象也沒(méi)有辦法被避免，且除非是有共振產(chǎn)生的情況之下，不然這一現(xiàn)象也難以被我們發(fā)現(xiàn)。 出現(xiàn)卡門渦這一現(xiàn)象時(shí)，通常會(huì)隨之有非常大的噪音。人們對(duì)于卡門渦這一現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)還是相比較早的，且由于這些年的研究，人們已經(jīng)熟練掌握了產(chǎn)生卡門渦現(xiàn)象的規(guī)律，而解決卡門渦現(xiàn)象的主要方法就是對(duì)水邊形狀進(jìn)行修改，因此目前卡門渦現(xiàn)象出現(xiàn)得已經(jīng)比較少了。另一個(gè)因素就是脫流，脫流現(xiàn)象主要發(fā)生于轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)出處的邊緣部分。脫流現(xiàn)象也往往難以被人們發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)檫@一現(xiàn)象的出現(xiàn)具有非常大的隨機(jī)性，且其振幅也無(wú)規(guī)律可循，但脫流現(xiàn)象會(huì)對(duì)水輪機(jī)水力的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

（3）轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)與制造。水輪機(jī)中的小空隙及止漏裝置。裝置一般較為復(fù)雜，在混流式的水輪機(jī)中屬于普遍存在的一個(gè)特點(diǎn)，特別在制造以及裝備一些大型的混流式水輪機(jī)時(shí)，其中的止漏裝置非常復(fù)雜，而止漏裝置過(guò)于復(fù)雜之間，相互間的空隙過(guò)小，往往會(huì)造成在止漏裝置間的壓力差非常大。這樣一旦在水輪機(jī)進(jìn)行異態(tài)的運(yùn)行時(shí)，就可能會(huì)有非常大的壓力脈沖出現(xiàn)，進(jìn)而影響水輪機(jī)機(jī)組的水力穩(wěn)定性。

混流式水輪機(jī)零部件的焊接水平及加工水平無(wú)法達(dá)到要求?；炝魇降乃啓C(jī)的科技含量通常比較高，對(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造與加工時(shí)的相關(guān)工藝方面的要求也就非常嚴(yán)格，且隨著目前技術(shù)水平在不斷提高，制造水輪機(jī)的水平也實(shí)現(xiàn)較為長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是通常來(lái)說(shuō)，水輪機(jī)的零部件都比較復(fù)雜，對(duì)其技術(shù)水平方面的要求特別高，因此常常會(huì)使得設(shè)計(jì)和制造的零部件依舊無(wú)法滿足在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中的需求。此外由于容量一直在不斷擴(kuò)大，進(jìn)而對(duì)加工工藝和設(shè)計(jì)制造方面的要求就越來(lái)越高，而一旦水輪機(jī)的固有頻率被影響，就很有可能會(huì)引起共振現(xiàn)象。 從另一方面來(lái)說(shuō)，當(dāng)焊接技術(shù)沒(méi)有那么精密和細(xì)致時(shí)，就會(huì)造成機(jī)組的焊接強(qiáng)度不夠，進(jìn)而無(wú)法抵抗高強(qiáng)度的壓力，也會(huì)因此影響水輪機(jī)機(jī)組的水力穩(wěn)定性。

3 提高混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的措施

（1）對(duì)轉(zhuǎn)輪的選擇要因地適宜。一般來(lái)說(shuō)，不同的水電站，其實(shí)際的情況也會(huì)不一樣，這就需要我們能夠因地制宜，以當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況為基礎(chǔ)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)輪的選擇更加合理。不同種類的轉(zhuǎn)輪可以對(duì)應(yīng)不同情況下的需求，比如對(duì)于葉片較多的轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)，其葉片中的應(yīng)力稍小，因而常用于中水頭的水電站中；對(duì)于葉片長(zhǎng)短的轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)，其常用于高水頭的水電站中。由此可見，需要從電站的實(shí)際情況出發(fā)，因地制宜地選擇轉(zhuǎn)輪，這樣就能夠顯著提升水力穩(wěn)定性。

（2）提高設(shè)計(jì)與制造方面的工藝技術(shù)。在水輪機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)輪發(fā)揮著非常重要的作用。要想提高水輪機(jī)的設(shè)計(jì)與制造方面的工藝，可以從以下幾點(diǎn)出發(fā)：第一，提高轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)工藝。利用cdf技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)水頭的穩(wěn)定性、變幅等情況進(jìn)行綜合考慮后，再對(duì)轉(zhuǎn)輪的材料進(jìn)行選擇，并盡量去選擇較為優(yōu)質(zhì)的材料。第二對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)在影響水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性中，也是非常重要的一個(gè)因素，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮進(jìn)行避振措施。第三，提高焊接工藝，進(jìn)而保證焊接的質(zhì)量。

（3）選擇合理的轉(zhuǎn)速比。水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速比在影響機(jī)組振動(dòng)中，也是非常重要的因素之一。為了能夠滿足水電站的實(shí)際需求，采用轉(zhuǎn)速比較高的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，已經(jīng)成為目前比較流行的趨勢(shì)。而隨著目前科技的不斷進(jìn)步，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速有了非常顯著的提升。但主要注意的是，過(guò)于片面的追求高轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性產(chǎn)生非常不利的影響。由此可見，也需要適當(dāng)?shù)娜ソ档娃D(zhuǎn)速比，進(jìn)而使機(jī)組的穩(wěn)定性提高。此外，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇時(shí)，還需要考慮水質(zhì)情況、負(fù)荷范圍及水頭變化的幅度等因素，因?yàn)檫@些因素會(huì)對(duì)水力穩(wěn)定性具有非常顯著的影響。

（4）修復(fù)葉輪出水的部分。水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性被多重因素所制約，轉(zhuǎn)輪葉片的厚度和形狀就是其中影響比較大的一個(gè)因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果顯示，當(dāng)改變轉(zhuǎn)輪葉片的形狀和厚度時(shí)，不僅能夠使卡門渦的頻率被有效提高，也可以在某種程度上使振動(dòng)降低， 其中的原理是將脫流渦的頻率和強(qiáng)度減小，并改變了水流在轉(zhuǎn)輪葉片中進(jìn)行分離的位置。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，混流式的水電站也變得越來(lái)越多，應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣。但目前來(lái)說(shuō)，混流式水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性問(wèn)題，依舊是一個(gè)世界性的難題，本文主要淺析了影響水輪機(jī)穩(wěn)定性的原因，也提出一些建議。我們要始終堅(jiān)信，只要愿意在設(shè)計(jì)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、制造精益以及工藝創(chuàng)新等方面多花一些功夫，這一難題終究會(huì)被解開，我國(guó)在水電事業(yè)方面的發(fā)展也必將邁入一個(gè)新的階段。