水輪機(jī)穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化措施研究

于雷

摘 要：水輪發(fā)電機(jī)是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中非常關(guān)鍵的一種設(shè)備，目前它開始朝著大容量和高速化的方向發(fā)展。由于其在生產(chǎn)活動(dòng)中發(fā)揮的作用非常顯著，所以它的運(yùn)作穩(wěn)定性逐漸的被人們所關(guān)注。筆者講述了常見的混流水輪機(jī)的穩(wěn)定性相關(guān)的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī)；穩(wěn)定性；影響因素；優(yōu)化措施

由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，此時(shí)很多設(shè)備也開始呈現(xiàn)出高科技的特點(diǎn)，比如水輪機(jī)。當(dāng)前它的發(fā)展方向是大尺寸高速率。由于它的尺寸和速度發(fā)生了改變，使得它的剛度變?nèi)趿?。同時(shí)因?yàn)樽詣?dòng)化水平得到了顯著的提升，目前很多的電站都采取自動(dòng)化的模式，不需要人來(lái)控制。所以就更要求水輪機(jī)有較高的穩(wěn)定性。筆者講述了非常常見的混流模式的水輪機(jī)，闡述了干擾它運(yùn)作穩(wěn)定的要素，而且結(jié)合具體情況，提出了幾點(diǎn)提升穩(wěn)定性的方法。

1 關(guān)于設(shè)備的穩(wěn)定性和必要性的論述

我們?cè)谠u(píng)定水輪機(jī)的優(yōu)劣的時(shí)候，最常用的指標(biāo)有三個(gè)，分別是穩(wěn)定性，空化以及能量。后兩者的判定非常的直觀化，而且適當(dāng)?shù)耐诰蚰軌蛎黠@的節(jié)省投資，提升利潤(rùn)。所以當(dāng)前時(shí)期人們非常的重視這兩個(gè)指標(biāo)。而對(duì)于穩(wěn)定性來(lái)講，它主要是對(duì)設(shè)備的運(yùn)作安全有影響，在之前的工作中人們并沒有高度關(guān)注該項(xiàng)內(nèi)容，同時(shí)加之其涉及的內(nèi)容非常復(fù)雜，牽扯面寬，所以對(duì)其開展的研究工作較之于另外的兩個(gè)要少一些。

通常我們?cè)跍y(cè)定它的穩(wěn)定性的時(shí)候會(huì)分析它運(yùn)作時(shí)候的振動(dòng)情況，也就是水力和機(jī)械兩種振動(dòng)。如果設(shè)備的不穩(wěn)定性超過了一定的指標(biāo)之后，激烈的振動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致零件出現(xiàn)細(xì)紋，有時(shí)候還會(huì)引發(fā)一些較為嚴(yán)重的問題，比如會(huì)導(dǎo)致廠房發(fā)生共振，進(jìn)而影響到電站的安全。通過分析有關(guān)的數(shù)據(jù)我們得知，最近幾年電廠開始紛紛使用的大型號(hào)水輪機(jī)，在運(yùn)作的時(shí)候出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象的幾率較大。

其會(huì)導(dǎo)致葉片以及軸瓦等出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而威脅到電站。所以當(dāng)前時(shí)期必須要認(rèn)真的分析設(shè)備的穩(wěn)定性。

2 干擾穩(wěn)定性的要素簡(jiǎn)述

在眾多的因素中，設(shè)計(jì)方面的原因是最為常見的也是影響最顯著的。水輪機(jī)機(jī)組處于最優(yōu)工況時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口水流應(yīng)近法向流出，在這一情況下轉(zhuǎn)輪出口水流不旋轉(zhuǎn)。假如設(shè)備的運(yùn)作不是處在最優(yōu)的模式之中的話，出口處的水流就會(huì)在管內(nèi)以環(huán)流的形式存在，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生振動(dòng)。尾水管壓力脈動(dòng)是造成機(jī)組振動(dòng)的重要源頭，對(duì)混流式水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害也最大。除此之外，引起不穩(wěn)定的水力因素，是機(jī)組運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)候，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口和出口處出現(xiàn)的脫流，但此種脫流頻率不固定，多數(shù)情況下表現(xiàn)為水流噪音，危害程度小于尾水管壓力脈動(dòng)和卡門渦列。

依托加工制造，水力模型被呈現(xiàn)為真機(jī)，作為水電站動(dòng)力源。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響因素主要有三個(gè)方面。一是過流部件諸如頂蓋、底環(huán)剛度的影響。流道中的水壓力作用在過流部件上，使其產(chǎn)生應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生彈性變形，而水流的攪動(dòng)又引起部件振動(dòng)。當(dāng)水流振動(dòng)頻率與部件固有頻率接近時(shí)，產(chǎn)生共振和噪音。尤其是大尺寸低轉(zhuǎn)速的機(jī)組，其本身固有頻率較低，更易與水力低頻接近。二是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪加工工藝影響。若葉片型線加工不精確、因焊接誤差導(dǎo)致的葉片進(jìn)出口開口值不均勻均，均會(huì)使水流在轉(zhuǎn)輪上產(chǎn)生橫向不平衡力，引起機(jī)組振動(dòng)。三是加工時(shí)橢圓度大，引起迷宮間隙不均勻而導(dǎo)致頂蓋垂直跳動(dòng)，水導(dǎo)出擺度增大。

安裝質(zhì)量對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響也不可忽視。其中之一是導(dǎo)軸承互不同心而導(dǎo)致的機(jī)組軸線不正，軸線不正同樣會(huì)使轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙不均勻而引起水力振動(dòng)，另外亦會(huì)使軸系上存在脈動(dòng)軸向力及旋轉(zhuǎn)橫向力，引起軸承在相應(yīng)方向的機(jī)械振動(dòng)。

3 優(yōu)化水輪機(jī)穩(wěn)定性措施探討

3.1 完善設(shè)計(jì)，提升水準(zhǔn)

優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是確保穩(wěn)定性的前提。要想提升設(shè)備的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)工作者就必須要切實(shí)的提升自身的專業(yè)水平，創(chuàng)造優(yōu)秀的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。當(dāng)前我們國(guó)內(nèi)和國(guó)外的很多區(qū)域使用的水力開發(fā)方式大體上是一致的，應(yīng)用最為廣泛的是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)（CFD）和模型試驗(yàn)。設(shè)計(jì)者應(yīng)充分利用以往經(jīng)驗(yàn)，通過CFD和模型試驗(yàn)，對(duì)流道尤其是導(dǎo)葉翼型、轉(zhuǎn)輪葉片翼型及泄水錐進(jìn)行優(yōu)化，避免卡門渦列發(fā)生，減輕尾水管中心偏心渦帶，將尾水管壓力脈動(dòng)幅值控制在合理范圍。如何合理給定尾水管壓力脈動(dòng)幅值范圍，目前業(yè)界內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。從一般規(guī)律來(lái)看，高水頭電站由于比轉(zhuǎn)速低，壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)較小，而低水頭電站比轉(zhuǎn)速高，壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)大點(diǎn)。

3.2 強(qiáng)化品質(zhì)，提升維護(hù)能力

要想提升穩(wěn)定性還有一個(gè)非常顯著的方法就是做好設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工作。第一，提升零件的剛度，降低它們?cè)谒畱?yīng)力下發(fā)生變形的幾率。第二，因?yàn)樵O(shè)備的轉(zhuǎn)輪是其最為關(guān)鍵的零件，和穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)非常密切。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮在低負(fù)荷時(shí)水流渦帶頻率與轉(zhuǎn)輪固有頻率、尾水管固有頻發(fā)生共振的可能性，讓它們避開共振區(qū)域。同時(shí)還應(yīng)該保證葉片過渡區(qū)域設(shè)計(jì)合理。在生產(chǎn)轉(zhuǎn)輪的時(shí)候要切實(shí)的按照相關(guān)的工藝來(lái)進(jìn)行。最好是使用不銹鋼材料。經(jīng)由軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑煨吞幚恚瓶睾萌~片的尺寸，確保形狀正確。在對(duì)其進(jìn)行粗加工之后，要使用精確性較高的設(shè)備對(duì)其測(cè)試，減少由于葉片葉型和轉(zhuǎn)輪重量偏差引起的水力和機(jī)械不平衡從而產(chǎn)生附加的交變應(yīng)力。

除了上文講到的內(nèi)容之外，我們還要做好設(shè)備的維護(hù)工作，它同樣能夠保證設(shè)備的品質(zhì)，增加使用時(shí)間。設(shè)備的導(dǎo)葉以及轉(zhuǎn)輪等會(huì)因?yàn)闅馕g而發(fā)生磨損，當(dāng)嚴(yán)重到一定的程度之后，就要在現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)?shù)男拚幚?。?dāng)前使用最多的處理方法是補(bǔ)焊。在補(bǔ)焊的時(shí)候要認(rèn)真的監(jiān)測(cè)防止其發(fā)生變形，在處理之后要對(duì)其無(wú)損探傷而且要磨光處理，保證型線和樣板保持一致。

3.3 做好日常管理工作，確保設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定

只有在平時(shí)開展好了管理工作，注意細(xì)節(jié)，才能夠切實(shí)的提升設(shè)備的效率，增加使用時(shí)間。具體的來(lái)說(shuō)，第一，盡量的確保設(shè)備在規(guī)定的范圍中運(yùn)作。因?yàn)樗娬驹谙到y(tǒng)中均有調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)，短時(shí)間內(nèi)在保證運(yùn)行范圍小時(shí)數(shù)之外運(yùn)行的小時(shí)數(shù)很難避免，要想保證穩(wěn)定性，就要將上述的小時(shí)數(shù)掌控在百分之五之內(nèi)。第二，在運(yùn)作的時(shí)候要躲避震動(dòng)區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)設(shè)備有大約兩個(gè)的振動(dòng)區(qū)，在設(shè)備的開啟和停運(yùn)的時(shí)候要以較快的速率來(lái)運(yùn)行，此舉是為了躲避振動(dòng)區(qū)。同時(shí)在平時(shí)的活動(dòng)中要盡量的降低設(shè)備開啟和停止的次數(shù)。設(shè)備在開啟和停止的時(shí)候，其出力和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等都會(huì)發(fā)生改變，由于它的運(yùn)行不穩(wěn)定所以會(huì)干擾到機(jī)組的運(yùn)作。在實(shí)際的工作中常會(huì)發(fā)生因?yàn)殚_啟或是停止設(shè)備而導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂縫的問題。第三，設(shè)備運(yùn)作的時(shí)候要對(duì)其展開必要的監(jiān)測(cè)，明確設(shè)備的運(yùn)作模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

我們國(guó)家的水資源非常富足，最近幾年一大批水電站出現(xiàn)在大江南北。不論是當(dāng)前的生產(chǎn)工藝亦或是管理能力都得到了非常明顯的提升。在作者看來(lái)，必須從多角度來(lái)分析，切實(shí)的提升水輪機(jī)的穩(wěn)定性，將這個(gè)指標(biāo)融入到機(jī)組的設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過程之中，只有這樣才能夠提升電站的效益。

參考文獻(xiàn)

[1]伍曉芳，閑貴寧，粱玉福.大型混流式水輪機(jī)尾水管振動(dòng)數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].廣西電力，2005（5）.

[2]鄭源，汪寶羅，屈波.混流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)研究綜述[J].水力發(fā)電，2007（2）.

[3]郭紅梅.混流式水輪機(jī)振動(dòng)研究[J].福建農(nóng)機(jī)，2005（3）.

[4]花敏輝.水輪發(fā)電機(jī)擺度、轉(zhuǎn)輪葉片裂紋及汽蝕情況分析[J].江西電力，2011（3）.