影響混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性的因素與應(yīng)對措施

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(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、制造工藝成熟的優(yōu)點(diǎn)，是水電站運(yùn)行的重要設(shè)備，對保障水電站低成本、高效益的運(yùn)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(jī)機(jī)組容量的提高、尺寸的增加以及剛度的降低，混流式水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性問題更加突出，特別是機(jī)組震動、壓力脈動和葉片裂紋嚴(yán)重威脅著水輪機(jī)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定， 不利于水電站經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，因此，對影響混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，找出科學(xué)有效的應(yīng)對措施提高水輪機(jī)的穩(wěn)定性非常有必要。

1 影響混流式水輪機(jī)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(jī)振動的最重要因素之一。水輪機(jī)處于工況運(yùn)行，如果水輪機(jī)處于空載、小負(fù)荷或者是超負(fù)荷狀態(tài)時，水輪機(jī)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(dāng)水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行狀態(tài)時，比如處于低水頭50%左右負(fù)荷運(yùn)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(dāng)真空達(dá)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(jìn)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(jìn)而破壞尾水管，引起水輪機(jī)機(jī)組振動，最終影響混流式水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；如果水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)動、固定部分間隙不均，轉(zhuǎn)輪中心就會與機(jī)組中心發(fā)生嚴(yán)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(jī)組中心的偏移更加嚴(yán)重，在一定程度上加劇了對水輪機(jī)的振動；當(dāng)水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)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(jìn)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(dāng)共振足夠強(qiáng)烈，則會引起葉片斷裂。

1.2 制造方面

在混流式水輪機(jī)加工制造方面，影響水輪機(jī)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(jī)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(dāng)或者是葉片的線形加工不夠精確，那么葉片進(jìn)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(fù)荷作用下出現(xiàn)疲勞，進(jìn)而引起水輪機(jī)機(jī)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(jìn)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(dāng)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(jī)機(jī)組就會產(chǎn)生振動和噪音，對與頻率較大、轉(zhuǎn)速較低的機(jī)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(jìn)水邊來說較薄，兩者之間強(qiáng)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(jìn)而產(chǎn)生破裂。

1.3 安裝運(yùn)行方面

安裝也是影響水輪機(jī)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(jī)械振動。 此外，混流式水輪機(jī)是水電站得以正常運(yùn)行的重要動力，承擔(dān)著電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰和調(diào)頻，所以，水輪機(jī)不可避免的要進(jìn)行長時間的運(yùn)行，那么水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在長期運(yùn)行中必然會出現(xiàn)疲勞，過度循環(huán)的旋轉(zhuǎn)使得水輪機(jī)裂紋產(chǎn)生的幾率大大增加。

2 提高混流式水輪機(jī)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(jī)制造企業(yè)在進(jìn)行水輪機(jī)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(jī)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(jìn)設(shè)計成果，通過對水電站的模擬試驗(yàn)，對泄水錐進(jìn)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(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，此外，尾水管補(bǔ)氣裝置的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)、方式甚至是補(bǔ)氣量都會對水輪機(jī)的運(yùn)行帶來影響，試驗(yàn)證明，優(yōu)化頂蓋裝置能夠有效解決特殊壓力脈動。在進(jìn)行水輪機(jī)選型設(shè)計的時候，必須對水輪機(jī)效率特性、汽蝕特性、穩(wěn)定性三者之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，合理選擇水輪機(jī)比速和設(shè)計水頭，優(yōu)化額定工況點(diǎn)的效率，正確確定水輪機(jī)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(jī)的穩(wěn)定性。

2.2 提高混流式水輪機(jī)制造質(zhì)量

混流式水輪機(jī)機(jī)組的質(zhì)量是影響水輪機(jī)運(yùn)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(jī)組焊接工藝等方面加強(qiáng)對水輪機(jī)質(zhì)量的控制。 首先，提高水輪機(jī)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(jī)的核心部件， 在制造前必須對其固定頻率進(jìn)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(fù)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(yuǎn)離共振區(qū)，然后通過計算機(jī)軟件對轉(zhuǎn)輪進(jìn)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(jìn)行粗加工后，要進(jìn)行一定的靜態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)，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(jī)進(jìn)行維護(hù)也是質(zhì)量控制的有效手段，可采用補(bǔ)焊的方法對轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉因汽蝕、磨蝕產(chǎn)生的破壞進(jìn)行修復(fù)，并加強(qiáng)對轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉變形的監(jiān)測，進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)后要進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，為修復(fù)后水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供保障。此外，要加強(qiáng)對水輪機(jī)的日常養(yǎng)護(hù)和管理，規(guī)定水輪機(jī)的運(yùn)行范圍和運(yùn)行時間，在運(yùn)行過程中盡量避開振動區(qū)域，在日常運(yùn)行中最大限度減少機(jī)組開機(jī)和停機(jī)次數(shù)， 并加強(qiáng)機(jī)組的在線檢測，確保獲得水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行工況參數(shù)的及時性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

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

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