謝紅軍

（長春市石頭口門水庫管理局，吉林 九臺 130524）

我國水資源較豐富，水資源在使用過程中無污染，同時水資源成本較低，只占不到五分之一的煤電成本，所以水資源清潔的可再生成本低的特點使得水資源成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展的重要物質基礎。利用水資源進行生產(chǎn)，不僅可以保護生態(tài)環(huán)境，還能節(jié)省如媒一類的不可再生資源，因此水資源是國家大力開發(fā)和鼓勵利用的資源。

1 影響大型混流式水輪機水力穩(wěn)定性的因素

1.1 水輪機組的振動對機組水力穩(wěn)定性的影響

近年來，無論是我國生產(chǎn)的還是從國外進口的大型混流式水輪機，在使用過程中都出現(xiàn)了不同程度的振動，進而導致水輪機轉輪的葉片出現(xiàn)裂痕，尾水管壁裂開，嚴重的還導致廠房與鄰近建筑物的共振，加重水電站的安全隱患。大型水輪機的水力穩(wěn)定性已經(jīng)受到業(yè)內(nèi)人士的重點關注，大型機組因為振動問題頻出，威脅著水輪機組的整體運行。水輪機組的振動影響水力穩(wěn)定性屬于機械穩(wěn)定性的范疇，它包含的范圍較為廣闊。

1.2 水輪機止漏裝置中的壓力脈沖對機組水力穩(wěn)定性的影響

大型混流式水輪機的止漏裝置較一般的來說復雜一些，之間間隔的空間也比較小，止漏裝置前后形成較大的壓力差，一旦水輪機出現(xiàn)非常態(tài)的運動時，在間隔的空間容易形成較大的壓力脈動。如果止漏裝置的零件精確度沒有達到標準，水輪機組在安裝時轉輪與轉輪室之間不一致，以及轉動過程中出現(xiàn)的不平衡等因素，都會導致運行過程中失去平衡，間隔的空間是隨著機組不斷旋轉而變化的，在水動力的影響下，使得轉軸出現(xiàn)回旋，最終使得整個水輪機組因為劇烈的振動失去平衡，機器停止運行。

1.3 卡門渦以及脫流對水輪機水力穩(wěn)定性的影響

卡門渦主要出現(xiàn)在水輪機葉片出水的部門，它只能是在葉片產(chǎn)生共振的情況下才會被發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)形式往往是單純的噪音。目前，卡門渦的規(guī)律性特征已經(jīng)基本被掌握，在水輪機組的設計階段就會被考慮其中，使得最終避免。另一個影響因素是脫流，一般情況下脫流發(fā)生在水輪機轉輪葉片的進口或者出口的邊緣，因為脫流形成的壓力脈動隨機的可能性比較大，即沒有規(guī)律的振幅變化，沒有固定的振動頻率，一般只產(chǎn)生沒有規(guī)律性的流動噪音，通常情況下也是在共振的情況中才被發(fā)覺。

1.4 轉輪設計制造工藝尚存不足

隨著水電事業(yè)的發(fā)展，水輪機組的容量不斷增加，機組的尺寸不斷加大，但是轉輪設計工藝尚且不滿足要求。減低了機組的固有頻率，大型水輪機組更容易發(fā)生共振，影響水力的穩(wěn)定性，機組出現(xiàn)大幅度的共振，導致水輪機的葉片出現(xiàn)大部分的裂紋。裂紋極易出現(xiàn)的原因是因為目前大部門葉片的焊接采用的是T型焊接，T型焊接的特點便是較難抵抗超強度的壓力。同時在轉輪焊接過程中，因為焊接工藝的不完善以及沒有進行應有的熱處理，會出現(xiàn)氣孔，夾渣等問題，影響水力的穩(wěn)定性。

2 保證大型混流式水輪機水力的穩(wěn)定性的對策

2.1 加強水輪機避振運行，保證水力的穩(wěn)定性

加強水輪機組的避振運行是指在大流域的水電站群體中，為了使得水輪機組可以避免受到振動區(qū)的影響。應該統(tǒng)籌調(diào)度整個流域的水輪機組，不僅可以延長機組使用壽命，還可以保證水輪機水力的穩(wěn)定性，在發(fā)現(xiàn)轉葉出現(xiàn)裂痕及時進行修補，加之實行了避振運行，水輪機組的穩(wěn)定性在較大程度上得以改善。

2.2 控制水輪機組的轉速

隨著科學技術水平的不斷發(fā)展，水輪機組轉輪的設計在大趨勢上是追求高比轉速水輪機。在上世紀八十年代，在大型混流式水輪機高比轉速實驗時發(fā)現(xiàn)了一個中等頻率的壓力脈動現(xiàn)象，將其稱之為高部分負荷壓力脈動帶，它具有脈動頻率與轉動頻率成正比，根據(jù)不同的工況形成不同壓力脈動。此種壓力脈動隨時能夠感知到裝置空化系數(shù)和下游尾水的變化。在許多實驗過程中，壓力脈動突然間升到一個數(shù)值的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生于尾水管的肘水管處，但是這個現(xiàn)象只存在于實驗過程中，在大型混流式水輪機真機上并未出現(xiàn)，而且其發(fā)生原理也不能詳細闡述，但是在低轉速的水輪機中是沒有這個現(xiàn)象出現(xiàn)的，因此，只是單純的追求高轉速以保證水力的穩(wěn)定性是非常不明智的選擇，在選取轉速的同時，要綜合考評水質狀況，水頭的變動幅度以及水輪機的負荷范圍等一系列條件因素的綜合。

2.3 對轉輪葉片出水部分進行修復

許多國內(nèi)外的實際例子可以證明，對轉輪葉片出水部分進行修復可以提高卡門渦的頻率和降低振動。根據(jù)研究顯示，通過減小轉輪葉片的厚度以及改造出水邊的形狀，改變水流在邊界上轉輪葉片分離的位置，同時還要減小導致脫流漩渦的頻率和強度。通過各類方法修復轉輪葉片的出水部分，可以起到一定消除振動的效果，防止因為共鳴引起的噪聲，很大程度上保證了大型混流式水輪機水力的穩(wěn)定性。

2.4 增強水輪機組振動的消除度，保證水力的穩(wěn)定性

水輪機尾水管低頻渦帶引起的振動最直接的消除方法便是將空氣注入尾水管的渦帶區(qū)，不僅可以保證渦帶的擴張強度，還能使得水中滲入空氣增加水的彈性，達到減輕和消除振動的結果。根據(jù)經(jīng)驗可得，對水輪機大軸軸心進行補氣消除振動的效果最為明顯，同樣在水輪機活動葉片和轉輪進水一邊對空氣進行壓縮，在降低葉道渦產(chǎn)生的高頻率的壓力脈動有很好的效果，兩者之間的距離越大，進行補氣后的產(chǎn)生的效果越明顯。

2.5 水輪機轉輪設計工藝的提升

大型混流式水輪機水力的穩(wěn)定性的內(nèi)在保證是提升轉輪的設計工藝，主要從以下方面著手改變。通過數(shù)值模擬技術對轉輪、尾水管以及渦殼等部件優(yōu)化設計，CFD優(yōu)化技術也可以運用其中。轉輪的選材應該著重注意水頭的變動幅度是否足夠大，穩(wěn)定性是否良好以及是否具有廣泛的高效區(qū)的的負傾角葉片。同時，在不會影響轉輪水能量的情況下，注意轉輪葉片的焊接頭是否采取了大圓弧的形狀，因為圓弧形狀可以減少因空間形狀變化導致的壓力集中的狀況發(fā)生，通過轉輪葉片進行一系列脫氧環(huán)節(jié)，保證轉輪的葉片質量。以上制造工藝的提升都可以保證水力的穩(wěn)定性。

3 結語

混流式水輪機是我國應用較早，使用范圍較廣，前景較為廣闊的機型，目前，隨著我國計算機科學不斷發(fā)展，各類大型混流式水輪機制造工藝的不斷提升，其水力的穩(wěn)定性方面必然會得到充分的保障。但是不得不承認，在我國混流式水輪機制造工藝不斷提升的同時，水力穩(wěn)定性的研究依然是需要我國研究者堅持攻克的一個難題，務必更加重視對它的研究。