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前言

對于我國大部分的水電站來講，混流式水輪發(fā)電機是各水電站的重要設備，混流式水輪機以其簡單、高效、制造工藝成熟等諸多優(yōu)點成為各水電站低成本、高效益穩(wěn)定運行的重要保障?；炝魇桨l(fā)電機以其強大的優(yōu)勢占據著水電站機組的主導位置，但混流式水輪機還存著自身無法克服的弱點?；炝魇剿啓C機組的振動和葉片的裂紋已成為威脅機組安全的重要隱患，嚴重阻礙了水電站的經濟效益的發(fā)揮。所以對混流式水輪機運行的穩(wěn)定性進行研究已刻不容緩。

1 影響混流式水輪機穩(wěn)定性的主要原因分析

1.1 水力方面的原因

水輪發(fā)電機組由于水力因素引起振動主要有以下幾種情況。

一是水輪機在非設計工況下運行的振動。當水輪機處于空載、低水頭、小負荷、高水頭、超負荷大流量的運行狀態(tài)時，除了承受流體的壓力載荷之外，還承受了壓力脈動和水力擾動引起的動態(tài)載荷的影響。

二是尾水管內的空腔渦帶產生的壓力脈動。由于混流式水輪機是固定葉片式的水力機械，當水輪機偏離最優(yōu)工況運行時，由于轉輪出口水流有一個旋轉圓周分速度，使轉輪下方靠近尾水管軸線的區(qū)域出現較大的真空，當真空達到一定數值后便產生空腔氣蝕形成渦帶，渦帶是螺旋形繞尾水管軸線不穩(wěn)定的旋轉，會引起機組振動，并對尾水管產生相當大的破壞作用。

三是水輪機轉動部分和固定部分間隙不均產生的壓力脈動。由于水輪機轉動部分和固定部分間隙不均使轉輪中心偏離機組中心，轉輪圓周各處固定和旋轉迷宮環(huán)間隙隨著轉輪的旋轉不斷變化，間隙內水壓也相應變化，沿轉輪圓周對水壓進行積分，就有一作用在轉輪上的橫向水壓力的合力，該合力總是迫使轉輪中心進一步偏離機組中心，加劇振動。

四是渦列引起的振動。當水流繞流葉片，由出口邊流出時，便會在出口邊處產生渦列，從葉片的正面和背面交替出現，形成對葉片交替的沖擊。當葉片自振頻率與沖擊頻率相同，便產生共振。

五是水力不平衡引起的壓力脈動。當轉輪的水流失去軸對稱時，出現不平衡的橫向力，于是造成轉輪振動。

1.2 轉輪設計制造方面的原因

一是葉片和上冠、下環(huán)的焊接部位，由于采用的是“T”型焊接方式，是空間幾何形狀突變的位置為應力集中區(qū)域，也是疲勞強度最低的部位。

二是轉輪葉片和上冠和下環(huán)比較，平面尺寸較大而橫截面尺寸相對較?。慌c上冠、下環(huán)焊接成轉輪后剛度最小，在運行時承受交變負荷時容易產生疲勞裂紋。

三是葉片出水邊相對進水邊薄，強度差，在交變負荷作用下最易發(fā)生裂紋。

四是在轉輪焊接過程中由于焊接工藝和熱處理不當等因素，產生夾渣、氣孔、應力集中等缺陷，在交變負荷作用下將降低疲勞強度和使用壽命。

1.3 水輪機運行過程中的原因

水輪機在電網中擔負著系統(tǒng)調峰和調頻的作用，作為電網能源的主要動力來源，水輪機長時間的不間斷運行是勢所難免的，因此我國大部分混流式水輪機裂紋的產生都是由于疲勞運轉的原因，在不間斷的旋轉狀態(tài)下運行時，會有交變動態(tài)載荷和壓力脈動的強大作用，這種情況下，混流式水輪機的轉輪就會處于疲勞狀態(tài)，如此情況循環(huán)的運轉，會加大裂紋產生的機率。

2 提高水輪機穩(wěn)定性的幾點建議

2.1 合理選擇水輪機Hmax/Hmin的變化范圍

混流式水輪機在設計時要保證水頭處有一個較為穩(wěn)定的運行區(qū)間，這個區(qū)間可以在一定程度上減小振動和裂紋，這二處危害減弱了，水輪機的運行平穩(wěn)性就能得到很好的體現。所以在設計混流式水輪機的轉輪時考慮葉片折水力負荷，這種固定式的葉片式的水力機械在設計時水頭變幅不宜過大。有文獻建議，水輪機最大水頭和設計水頭的比值應控制在1.2以下，最大水頭與最小水頭的比值應控制在1.5以內。

2.2 確保水力設計的科學性和合理性

一是合理選取水輪機的比轉速。為了保證水輪機的穩(wěn)定性，所以在選取水輪機時要注意水輪機的比轉速，要控制水輪機的比轉速不能過高，以使對水輪機的強度造成影響，同時也會減弱水輪機的磨損度，使穩(wěn)定性難以保障。當水輪機穩(wěn)定性指標不能滿足時，應采用較低的比轉速，并選擇較低的導葉相對高度bo，減小單位流量Q'1。

二是降低尾水管壓力脈動值，控制葉道渦的發(fā)生。葉道渦從發(fā)生到發(fā)展是有一個過程的，在轉輪模型試驗時就應注意，盡量把葉道渦發(fā)生線排除在運行范圍之外。尾水管壓力脈動值應按不同水頭段、不同負荷段分別提出要求。

三是根據電站特點，正確設計轉輪葉型。采用扭轉葉片或采用大進口直徑與小出口直徑的水力設計，可使水輪機有較寬的穩(wěn)定運行區(qū)；采用長短葉片，也是適應負荷變化的有效手段；而葉片采用Donalson式的出水邊形狀，在保證葉片剛強度的前提下可使卡門渦激振能量最小。

2.3 優(yōu)化水輪機轉輪的結構設計

一是提高轉輪的剛、強度，降低葉片線型應力和局部最大應力。水輪機應有足夠的剛、強度，葉片線型應力應控制在100～80MPa，局部最大應力應小于150MPa。葉片出水邊與上冠交接處屬于高應力區(qū)，應適當加大圓弧段直徑，以改善應力狀況。

二是計算出水邊卡門渦頻率與各部件固有頻率，使其不產生共振。

三是適當控制葉片數量。轉輪葉片數量與穩(wěn)定性之間雖然沒有直接的明確關系，但在一定條件下其影響也是明顯的，如頻率、葉片應力等。

四是優(yōu)化轉輪止漏環(huán)和泄水錐。轉輪上、下止漏環(huán)不采用熱套或鑲套，應直接在上冠和下環(huán)母體上車出來，泄水錐與上冠設計成一體，這樣轉輪的整體性更好。

2.4 提高水輪機制造質量

水輪機是電網運行的保障，所以水輪機的質量至關重要，良好的質量對水輪機的運行起著穩(wěn)定的作用，因此在水輪機制造過程中對各個部件及工藝都要進行強化控制，保證出廠驗收的手續(xù)，確保出廠的合格率。

結語

為了保證電能的供應，現在電站的建設呈上升的趨勢，一個運行穩(wěn)定的電站才能保證電能的供應，保障人們用電的安全性，電站穩(wěn)定運行的重點是電站內的主要設備的穩(wěn)定性。水輪機作為水電站的主要動力來源，其平穩(wěn)的運行對電站的安全運轉起著重要的作用，為了保證水輪機的穩(wěn)定性，水輪機的轉輪和葉片無論從設計、制造還是運行過程中，都是提高水輪機穩(wěn)定性的重中之重。所以在設計及生產運行過程中要保證水輪機的質量，這樣才能保證水輪機符合電站的安全標準。

[1]馬震岳.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].北京：中國水利電力出版社.2004.

[2]白林主.小型水電站發(fā)電設備手冊[M].水利水電出版社.1987.