大型混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性分析

羅育輝（廣東鴻源機(jī)電股份有限公司，廣東　興寧　514500）

大型混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性分析

羅育輝
（廣東鴻源機(jī)電股份有限公司，廣東興寧514500）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)于電力需求度也在不斷擴(kuò)大，混流式的水輪機(jī)的出現(xiàn)逐漸裝箱后高轉(zhuǎn)速的大容量的方向的發(fā)展、單機(jī)的容量在不斷的擴(kuò)大、轉(zhuǎn)速的提高和高水量的需求，對(duì)于混流式水輪機(jī)的要求也在不斷的提高，同型機(jī)組的水力設(shè)計(jì)的要求呈現(xiàn)高比轉(zhuǎn)速的發(fā)展趨勢(shì)，空化引起的對(duì)相渦流引轉(zhuǎn)式的問(wèn)題逐漸得到了重視。

混流式水輪機(jī)；穩(wěn)定性；流場(chǎng)；流動(dòng)性

0　引言

混流式水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣、研究發(fā)展技術(shù)成熟的特點(diǎn)在大型水電站的應(yīng)用上占據(jù)著主導(dǎo)的地位，但由于渦輪機(jī)組的水輪機(jī)是固定葉片結(jié)構(gòu)的水力設(shè)施，設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)輪葉片的裂紋的產(chǎn)生是主要威脅水輪機(jī)安全運(yùn)行的重點(diǎn)問(wèn)題。

1　影響混流式水輪機(jī)內(nèi)部穩(wěn)定運(yùn)行的因素

1.1水力因素

水輪發(fā)電機(jī)組的建設(shè)是由于水力在平面上引起的振動(dòng)產(chǎn)生的，由于水輪機(jī)組在設(shè)計(jì)狀況下產(chǎn)生的震動(dòng)；以及空腔內(nèi)部的水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)引發(fā)的渦輪帶來(lái)的壓力脈動(dòng)：還有水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的固定界面的間隙不均勻產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)。以及水里的不均勻產(chǎn)生的不平衡感脈動(dòng)的情況。水輪機(jī)在工作時(shí)處于負(fù)荷性，由高水性滿負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的壓力承受值意外，還承受了相當(dāng)于水力平面的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)的負(fù)荷情況。雖然都能引發(fā)傳統(tǒng)意義上的作用機(jī)理是不同可以進(jìn)行分析鑒別。

水輪機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生的脈動(dòng)經(jīng)過(guò)水流通的活動(dòng)導(dǎo)致葉面的調(diào)整，葉片的出水口方向是固定的。在特地情況下的水管中，葉片前部的水流會(huì)產(chǎn)生脫流空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。都是產(chǎn)生水利振動(dòng)的因素。

由于混流情況的水輪機(jī)組是采用固定葉片的運(yùn)作的水利設(shè)施，當(dāng)?shù)巾?yè)開(kāi)度處于比較小流量的渦帶的開(kāi)度的運(yùn)轉(zhuǎn)下，會(huì)引發(fā)更大程度的震蕩，加劇流道中的壓力脈動(dòng)使設(shè)備出現(xiàn)故障。

1.2轉(zhuǎn)輪制造技術(shù)

隨著機(jī)器機(jī)組的增加，機(jī)組尺寸的比例也得到了放大，設(shè)計(jì)制造方面所導(dǎo)致的機(jī)組設(shè)備剛度降低，使得固有的頻率下降，大型機(jī)組更容易誘發(fā)共振，由于機(jī)組的水利干擾設(shè)備更加的混沌而引發(fā)的機(jī)器效率下降。轉(zhuǎn)輪葉片所采用的技術(shù)是上冠和下部比較，平面的面積較大，橫截面尺寸相對(duì)較低，與轉(zhuǎn)輪接觸點(diǎn)較大，容易形成卡槽。運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)生的夾渣、氣孔等設(shè)計(jì)缺陷。長(zhǎng)時(shí)間處在負(fù)荷狀態(tài)的話會(huì)造成機(jī)器磨損加劇降低機(jī)器使用壽命。

1.3在不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)

經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，國(guó)內(nèi)大部分發(fā)生裂紋的大型混流式渦輪轉(zhuǎn)輪的使用不當(dāng)都是因?yàn)槿~片的表面產(chǎn)生了裂紋，由于水輪發(fā)電機(jī)組的停止時(shí)間短的特點(diǎn)造成的，在電網(wǎng)中主要負(fù)責(zé)調(diào)度的方面，長(zhǎng)時(shí)間的不正常運(yùn)行即高速旋轉(zhuǎn)在備用狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間處于壓力脈動(dòng)的作用下的大大增加了轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的幾率。經(jīng)研究表明，水輪機(jī)組在穩(wěn)定區(qū)域和過(guò)度運(yùn)行區(qū)域的壽命相差近乎20倍，通過(guò)相關(guān)的疲勞試驗(yàn)可以看出，葉片上方的部分的磨損情況在禁止運(yùn)行的區(qū)域和最優(yōu)工時(shí)的狀況時(shí)，兩者相差200-300倍。

2　提高大型混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性的方法

2.1合理選擇水輪機(jī)的功率變化范圍

混流式水輪機(jī)是固定生產(chǎn)的新型的水利機(jī)械，轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)和外觀都在最大程度的確包水頭對(duì)于穩(wěn)定區(qū)域的運(yùn)行范圍，為了減少振動(dòng)的裂隙和對(duì)于混流式水輪機(jī)的危害，要做到對(duì)于大型渦流式水輪機(jī)的增幅范圍不超過(guò)406.8MW，三峽水電廠的變幅也比較大，但采用了有力的措施提高了水輪機(jī)的穩(wěn)定措施，目前在三峽水電廠的水輪機(jī)組的運(yùn)行是非常穩(wěn)定的，低水頭在最大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下處于平穩(wěn)的狀態(tài)，但還是需要經(jīng)過(guò)高水頭的運(yùn)行考察。所以，可以得出大水頭的比值和設(shè)計(jì)水頭的比值應(yīng)該分別控制在1.5和1.2以下。

2.2合理選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)速

現(xiàn)階段水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)和研究主要靠閑了高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)上去。20世紀(jì)的80年代的渦流式水輪機(jī)的模型實(shí)驗(yàn)中曾發(fā)現(xiàn)了一種具有大頻率特性的壓力脈動(dòng)的，大部分高能量的負(fù)荷壓力的特點(diǎn)是頻率的轉(zhuǎn)換過(guò)于頻繁，大約在5倍以下的，流量的最佳工作時(shí)間為88%左右。個(gè)別情況下的壓力脈動(dòng)的變化復(fù)制會(huì)高達(dá)凈水頭的30%，該壓力下的脈動(dòng)對(duì)于裝置的空話系數(shù)和下游尾部的變化是十分靈敏的，在水輪機(jī)的研究過(guò)程中，尾部進(jìn)水口的到頂部的尾部的管道處均會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的壓力脈動(dòng)過(guò)大的情況。還產(chǎn)生該情況的現(xiàn)象在國(guó)際上的研究幾乎為零，其發(fā)生的原理和過(guò)程不甚明顯。

單純的減小水輪機(jī)的尺寸順便降低轉(zhuǎn)葉和轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速是可取的，水輪機(jī)組的選擇應(yīng)該遵從當(dāng)?shù)氐乃那闆r以及水體的變化情況綜合分析數(shù)據(jù)的可調(diào)節(jié)范圍，機(jī)組臺(tái)的運(yùn)行情況。

2.3統(tǒng)籌調(diào)度

大范圍流域的水電站群統(tǒng)籌管理工作主要是由大容量的發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，為了能夠使機(jī)組更好的避開(kāi)震蕩區(qū)域的安全高效的運(yùn)行，要對(duì)全流域內(nèi)的大型水輪機(jī)組統(tǒng)一管理，即當(dāng)?shù)拓?fù)荷的電網(wǎng)調(diào)度由120MW-250MW時(shí)，由大機(jī)組進(jìn)行頭籌兼顧的調(diào)度，當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行小時(shí)由60MW的機(jī)組運(yùn)行，這樣在不同情況下個(gè)各個(gè)機(jī)組的使都能安全的運(yùn)行，大大的延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命。

2.4轉(zhuǎn)輪葉片的出水部位進(jìn)行調(diào)整

卡門渦頻率計(jì)算公式可以通過(guò)減小轉(zhuǎn)輪葉片的出水部位的葉片厚度改善出水部分的形狀來(lái)改變水流層次的邊界以及從葉片上分離出來(lái)的位置，以期減少脫離漩渦時(shí)強(qiáng)度。出水邊的單邊小圓軸的過(guò)渡段落的進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，葉片較小的轉(zhuǎn)軸震動(dòng)感也較小，水輪機(jī)組的出水邊的修改調(diào)整為30-40度的倒棱角型，都利用其較為強(qiáng)大的修型調(diào)整。

3　結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)擁有的水能資源是十分豐富的，水能資源作為新型無(wú)污染的可再生資源在世界能源的應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)的比重逐年增大，雖然近年來(lái)我國(guó)水電業(yè)的發(fā)展速度明顯加快，但是與我國(guó)所擁有的水能資源相比，利用率還是較低，開(kāi)發(fā)利用的潛力還是很大的。混流式水輪機(jī)是我國(guó)最早投入使用的也是目前應(yīng)用前景最廣闊的機(jī)型，我國(guó)要加大對(duì)于混流式水輪機(jī)組的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，提高對(duì)于下一代水輪機(jī)的安全運(yùn)行的范圍，提高水輪機(jī)的抗疲勞性能將是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展的主要目標(biāo)。

［1］張雙全.大型混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性研究［D］.華中科技大學(xué)，2008.

［2］蘇文濤.大型混流式水輪機(jī)模型內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

［3］唐澍，潘羅平.大型混流式水輪機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展［J］.水利水電技術(shù)，2009（08）：108-112.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.121