宋通林

（甘肅電投河西水電開發(fā)有限責任公司，甘肅 張掖 734000）

水輪機穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化策略

宋通林

（甘肅電投河西水電開發(fā)有限責任公司，甘肅 張掖 734000）

我國的水輪機設計逐漸呈現(xiàn)出大容量和大尺寸發(fā)展趨勢，同樣水輪機組的轉(zhuǎn)速也在逐步提高，在實際使用環(huán)境中，人們也對水輪機的運行穩(wěn)定性提出了更高的要求。因此，有必要提高水輪機設計的精細程度，著重分析其運行過程中影響穩(wěn)定性的因素并采取優(yōu)化措施。

水輪機設計；運行；穩(wěn)定性

現(xiàn)階段，我國水輪機正朝著大容量、大尺寸的方向發(fā)展，同時，其相對剛度也在不斷弱化?？茖W技術(shù)的發(fā)展推動著我國整體自動化水平的提升，與此同時，我國水電站也在逐漸實現(xiàn)“無人值班”或者“少人值班”的目標，在此背景下，水輪機的設計重視運行的穩(wěn)定性。混流式水輪機具有水頭范圍寬和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，其工作效率較高，在我國水電站的應用也較廣。

1　水輪機運行質(zhì)量評定的主要因素

在對水輪機進行質(zhì)量評定時，一般需要考慮三個因素：一是水輪機的穩(wěn)定性；二是水輪機的能量；三是水輪機空化。在這三個指標中，后兩者的判斷較為容易。同時，工作人員還能夠?qū)λ啓C能量和水輪機空化進行挖掘和利用，使水電站成本得到有效降低，從而提高發(fā)電收益，也同樣是因為這個原因，業(yè)內(nèi)對水輪機能量和水輪機空化這兩個指標更加重視，圍繞這兩個指標展開的研究也更加深入。相比之下，雖然水輪機運行的穩(wěn)定性對水輪機工作質(zhì)量也有重要影響，但針對性的研究較少。在實際運行中，水輪機的穩(wěn)定性所涉及的因素繁多，內(nèi)容也較為復雜，因此有必要對水輪機運行穩(wěn)定性進行更加深入的研究。

2　水輪機運行穩(wěn)定性概述

水輪機運行的穩(wěn)定性，即水輪機組在日常運行的過程中所表現(xiàn)出來的機械振動及水力振動。處于運行過程中的水輪機具有較差的穩(wěn)定性，會出現(xiàn)振動頻率高且振動幅度大的情況，這將對水輪機的正常運轉(zhuǎn)造成較為嚴重的不利影響，而且長此以往，會導致水輪機表面出現(xiàn)較多裂紋，嚴重時將會使水輪機所在的廠房和水電站的其他建筑產(chǎn)生振動現(xiàn)象，最終對水電站整體的運行造成威脅。研究結(jié)果表明，中型的水輪機在我國已經(jīng)實現(xiàn)了生產(chǎn)制造的廣泛化，但是很多水電站中的水輪機在使用過程中會出現(xiàn)振動問題，但是其嚴重程度有所不同，當振動問題逐漸嚴重后，水輪機的葉片以及軸瓦部分也隨之出現(xiàn)許多裂紋，最終導致水電站運行的安全性和經(jīng)濟性得不到保證。綜上所述，水電站的水輪機運行的穩(wěn)定性非常重要，值得進行深入研究。水輪機穩(wěn)定性按其產(chǎn)生的原因分為水力穩(wěn)定性和非水力穩(wěn)定性，非水力穩(wěn)定性一般歸為機械穩(wěn)定性范疇。

3　混流式水輪機的顯著特點

由于轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)節(jié)，混流式水輪機穩(wěn)定運行的范圍較窄，偏離最優(yōu)工況的運行將導致轉(zhuǎn)輪尾水管內(nèi)水流流態(tài)的變化，水力效率降低，進而造成水輪機振動加劇。由于水電機組，特別是大型機組，通常是在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰和調(diào)頻的任務，因此，一般要求其運行負荷和水頭范圍比較寬，加之水輪機的制造也僅能做到對混流式機組的60%～100%范圍內(nèi)的額定負荷提供可靠運行的保證，僅包括運轉(zhuǎn)特性曲線上很狹窄的水頭工作區(qū)。通過對混流式機組水力穩(wěn)定性的分析，對已投運機組，無法輕易改善機組的結(jié)構(gòu)和設計，最實際的改善機組穩(wěn)定性的措施應從優(yōu)化機組運行方式、改善水流特性等方面展開研究。

4　影響水電站水輪機運行穩(wěn)定性的主要因素

4.1水輪機的水力因素

水力方面的因素對水輪機組設計工作的影響較小。在水輪機組正常運作過程中，其轉(zhuǎn)輪的出口處將持續(xù)流出水且不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。對于非最優(yōu)工作狀態(tài)中的水輪機，由于在水輪機尾的水管中受到作用力，其轉(zhuǎn)輪出口處的水流形狀將呈現(xiàn)為環(huán)狀。當水輪機的低水頭部分有40%～70%都處在負荷過程中時，其轉(zhuǎn)輪的出口處水流將正向旋轉(zhuǎn)，在這一過程中逐漸形成帶狀漩渦，嚴重可導致水電站水輪機組的振動作用。水輪機組振動的主要原因是其尾水管受到壓力脈動，這同時也威脅混流式水輪機的穩(wěn)定運行。當扶流翼的末端出現(xiàn)卡門渦流時，也將對水輪機的正常運行造成影響，其不良作用不僅造成轉(zhuǎn)輪葉片的強迫性振動，尤其一旦其振動頻率同葉片自振頻率之間是整倍數(shù)關(guān)系時，將更加容易造成水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂縫，情況嚴重時將出現(xiàn)葉片斷裂。再者，水力因素也會導致水輪機組的設計工況同實際運行情況不吻合，其結(jié)果是葉片進出口過程中出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，其危害性大小隨脫流產(chǎn)生的頻率正比變化。

4.2水輪機的結(jié)構(gòu)設計因素

就水輪機的設計方面而言，其水力模型被視為整個水電站必不可少的動力來源，其結(jié)構(gòu)設計和工作質(zhì)量對水輪機運行的穩(wěn)定性同樣會造成一定影響。下面將就其影響的主要方面進行介紹。

第一，過流部件的影響，如頂蓋、底環(huán)剛度等。當過流部件受到流道中水流壓力的影響時，會由于應力作用的產(chǎn)生和增強而導致其構(gòu)件出現(xiàn)彈性形變。同時，隨著水流的攪動，每個部件都會產(chǎn)生振動作用，尤其當水流的振動頻率同部件自身屬性中的固有頻率相同時，更容易導致振動問題的出現(xiàn)，這不僅會造成較嚴重的噪聲污染，同樣也會威脅水輪機組的正常運轉(zhuǎn)。

第二，水輪機的轉(zhuǎn)輪加工工藝對其穩(wěn)定性造成的影響。水輪機組加工以及制造過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)輪葉片型線不精準問題，或者由于其構(gòu)件在焊接時出現(xiàn)了誤差，將導致其葉片的進出口位置開口值不均勻，由此一來，水輪機組的發(fā)動機會由于轉(zhuǎn)輪上出現(xiàn)橫向力不平衡而導致產(chǎn)生振動問題。

第三，迷宮環(huán)加工問題。當迷宮環(huán)加工的橢圓度過大，將造成迷宮間隙不均勻，進而引發(fā)水輪機組振動問題的出現(xiàn)，其頂蓋發(fā)生垂直跳動，水導擺度增大。

4.3水輪機的構(gòu)建質(zhì)量因素

安裝質(zhì)量對水輪機穩(wěn)定性的影響也不可忽視。導軸承互不同心而導致的機組軸線不正，軸線不正同樣會使轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙不均勻而引起水力振動。另外亦會使軸系上存在脈動軸向力及旋轉(zhuǎn)橫向力，引起軸承在相應方向的機械振動。此外，導葉開口值調(diào)整不均勻也是水輪機振動的根源之一。

5　提高水電站水輪機運行穩(wěn)定性的措施

5.1提升水輪機的水力設計水平

水輪機的設計將決定其性能，保證水輪機的運行穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段的CFD（流體動力學分析技術(shù)）以及模型試驗應用較為廣泛。在設計過程中，要求相關(guān)技術(shù)人員具備深厚的專業(yè)知識，同時還能夠從其自身的工作經(jīng)歷中吸取經(jīng)驗。設計人員應將工作經(jīng)驗用于實踐，利用CFD流體動力學分析技術(shù)，模型對泄水錐、導葉和轉(zhuǎn)輪葉片的翼型進行優(yōu)化，以提高其水輪機尾水管的壓力脈動控制的合理性。一般而言，高水頭水電站的轉(zhuǎn)速較小，且振幅偏小，但由于其比轉(zhuǎn)速數(shù)值較高，因此其壓力脈動的幅值也比較大。

5.2提高日常管理水平

對水輪機實行合理的日常管理，能夠有效提升設備的運行效率，同時延長其使用壽命。具體而言，應做到以下幾個方面。①盡可能保證水輪機的設備在規(guī)定范圍內(nèi)運作。水電站的各個系統(tǒng)中均包括調(diào)頻調(diào)峰任務，在短時間內(nèi)無法完全保證其運行完全控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，因此要想保證穩(wěn)定性，就要將上述的小時數(shù)掌控在約5%范圍內(nèi)。②在設備的運作過程中應注意躲避振動區(qū)域。設備大約有兩個振動區(qū)，因此通常的做法是在設備的開啟及停運時刻以較快速率來運行，從而有效躲避振動區(qū)域，不僅如此，在平時的活動中也應盡可能地減少設備的開啟和停止次數(shù)，在實際應用環(huán)境中，常會出現(xiàn)由于設備的開啟或停止而導致的葉片裂縫問題。③設備運行的時候要對其展開必要的監(jiān)測，明確設備的運作模式。

5.3加強水輪機產(chǎn)品的質(zhì)量控制和設備維修

加強水輪機設計階段的產(chǎn)品質(zhì)量控制是提高其運行穩(wěn)定性的重要方法。首先，應提升其通路部件的剛度，減少其由于受到水力作用而發(fā)生變形的可能；再者，應結(jié)合設計階段的工作降低其發(fā)生質(zhì)量問題的可能，如提高葉片部分設計的科學性，局部加強葉片根本。

水輪機使用過程中的維護工作依然十分重要。因為水輪機的葉片、轉(zhuǎn)輪等構(gòu)件會在使用過程中受到磨損和氣蝕，因此有必要對其進行定期檢查和日常維護。在補焊時應注重構(gòu)件變形情況，并在完成后進行無損檢測。

由于水電站具有環(huán)保特性，再加上我國自身水資源充足，水電站在我國具有較為廣闊的發(fā)展前景，近年來，我國也建立了較多的水電站，相關(guān)研究也得到不斷深入。通過對水輪機運行穩(wěn)定性涉及的問題進行細致研究，進而不斷提高其工作水平。

主要參考文獻

［1］魏南，張鋒.小型水輪機發(fā)電機組的振動分析與消除［J］.科技展望，2016（4）.

［2］龔芹炬.水輪機穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化措施研究［J］.河南科技，2013（3）.

［3］于雷.水輪機穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化措施研究［J］.科技創(chuàng)新與應用，2015（13）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.16.042

TK733.1

A

1673-0194（2016）16-0064-02

2016-07-02