水輪機(jī)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(zé)任公司，甘肅 張掖 734000）

水輪機(jī)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(zé)任公司，甘肅 張掖 734000）

我國(guó)的水輪機(jī)設(shè)計(jì)逐漸呈現(xiàn)出大容量和大尺寸發(fā)展趨勢(shì)，同樣水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速也在逐步提高，在實(shí)際使用環(huán)境中，人們也對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高的要求。因此，有必要提高水輪機(jī)設(shè)計(jì)的精細(xì)程度，著重分析其運(yùn)行過(guò)程中影響穩(wěn)定性的因素并采取優(yōu)化措施。

水輪機(jī)設(shè)計(jì)；運(yùn)行；穩(wěn)定性

現(xiàn)階段，我國(guó)水輪機(jī)正朝著大容量、大尺寸的方向發(fā)展，同時(shí)，其相對(duì)剛度也在不斷弱化?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著我國(guó)整體自動(dòng)化水平的提升，與此同時(shí)，我國(guó)水電站也在逐漸實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”或者“少人值班”的目標(biāo)，在此背景下，水輪機(jī)的設(shè)計(jì)重視運(yùn)行的穩(wěn)定性?；炝魇剿啓C(jī)具有水頭范圍寬和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，其工作效率較高，在我國(guó)水電站的應(yīng)用也較廣。

1　水輪機(jī)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)定的主要因素

在對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定時(shí)，一般需要考慮三個(gè)因素：一是水輪機(jī)的穩(wěn)定性；二是水輪機(jī)的能量；三是水輪機(jī)空化。在這三個(gè)指標(biāo)中，后兩者的判斷較為容易。同時(shí)，工作人員還能夠?qū)λ啓C(jī)能量和水輪機(jī)空化進(jìn)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?yàn)檫@個(gè)原因，業(yè)內(nèi)對(duì)水輪機(jī)能量和水輪機(jī)空化這兩個(gè)指標(biāo)更加重視，圍繞這兩個(gè)指標(biāo)展開的研究也更加深入。相比之下，雖然水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)水輪機(jī)工作質(zhì)量也有重要影響，但針對(duì)性的研究較少。在實(shí)際運(yùn)行中，水輪機(jī)的穩(wěn)定性所涉及的因素繁多，內(nèi)容也較為復(fù)雜，因此有必要對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行更加深入的研究。

2　水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性概述

水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，即水輪機(jī)組在日常運(yùn)行的過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的機(jī)械振動(dòng)及水力振動(dòng)。處于運(yùn)行過(guò)程中的水輪機(jī)具有較差的穩(wěn)定性，會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)頻率高且振動(dòng)幅度大的情況，這將對(duì)水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成較為嚴(yán)重的不利影響，而且長(zhǎng)此以往，會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)表面出現(xiàn)較多裂紋，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使水輪機(jī)所在的廠房和水電站的其他建筑產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，最終對(duì)水電站整體的運(yùn)行造成威脅。研究結(jié)果表明，中型的水輪機(jī)在我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)制造的廣泛化，但是很多水電站中的水輪機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，但是其嚴(yán)重程度有所不同，當(dāng)振動(dòng)問(wèn)題逐漸嚴(yán)重后，水輪機(jī)的葉片以及軸瓦部分也隨之出現(xiàn)許多裂紋，最終導(dǎo)致水電站運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性得不到保證。綜上所述，水電站的水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性非常重要，值得進(jìn)行深入研究。水輪機(jī)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(jī)械穩(wěn)定性范疇。

3　混流式水輪機(jī)的顯著特點(diǎn)

由于轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)節(jié)，混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的范圍較窄，偏離最優(yōu)工況的運(yùn)行將導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪尾水管內(nèi)水流流態(tài)的變化，水力效率降低，進(jìn)而造成水輪機(jī)振動(dòng)加劇。由于水電機(jī)組，特別是大型機(jī)組，通常是在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰和調(diào)頻的任務(wù)，因此，一般要求其運(yùn)行負(fù)荷和水頭范圍比較寬，加之水輪機(jī)的制造也僅能做到對(duì)混流式機(jī)組的60%～100%范圍內(nèi)的額定負(fù)荷提供可靠運(yùn)行的保證，僅包括運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線上很狹窄的水頭工作區(qū)。通過(guò)對(duì)混流式機(jī)組水力穩(wěn)定性的分析，對(duì)已投運(yùn)機(jī)組，無(wú)法輕易改善機(jī)組的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，最實(shí)際的改善機(jī)組穩(wěn)定性的措施應(yīng)從優(yōu)化機(jī)組運(yùn)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(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的主要因素

4.1水輪機(jī)的水力因素

水力方面的因素對(duì)水輪機(jī)組設(shè)計(jì)工作的影響較小。在水輪機(jī)組正常運(yùn)作過(guò)程中，其轉(zhuǎn)輪的出口處將持續(xù)流出水且不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。對(duì)于非最優(yōu)工作狀態(tài)中的水輪機(jī)，由于在水輪機(jī)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(dāng)水輪機(jī)的低水頭部分有40%～70%都處在負(fù)荷過(guò)程中時(shí)，其轉(zhuǎn)輪的出口處水流將正向旋轉(zhuǎn)，在這一過(guò)程中逐漸形成帶狀漩渦，嚴(yán)重可導(dǎo)致水電站水輪機(jī)組的振動(dòng)作用。水輪機(jī)組振動(dòng)的主要原因是其尾水管受到壓力脈動(dòng)，這同時(shí)也威脅混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)扶流翼的末端出現(xiàn)卡門渦流時(shí)，也將對(duì)水輪機(jī)的正常運(yùn)行造成影響，其不良作用不僅造成轉(zhuǎn)輪葉片的強(qiáng)迫性振動(dòng)，尤其一旦其振動(dòng)頻率同葉片自振頻率之間是整倍數(shù)關(guān)系時(shí)，將更加容易造成水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂縫，情況嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)葉片斷裂。再者，水力因素也會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)工況同實(shí)際運(yùn)行情況不吻合，其結(jié)果是葉片進(jìn)出口過(guò)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素

就水輪機(jī)的設(shè)計(jì)方面而言，其水力模型被視為整個(gè)水電站必不可少的動(dòng)力來(lái)源，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作質(zhì)量對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性同樣會(huì)造成一定影響。下面將就其影響的主要方面進(jìn)行介紹。

第一，過(guò)流部件的影響，如頂蓋、底環(huán)剛度等。當(dāng)過(guò)流部件受到流道中水流壓力的影響時(shí)，會(huì)由于應(yīng)力作用的產(chǎn)生和增強(qiáng)而導(dǎo)致其構(gòu)件出現(xiàn)彈性形變。同時(shí)，隨著水流的攪動(dòng)，每個(gè)部件都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)作用，尤其當(dāng)水流的振動(dòng)頻率同部件自身屬性中的固有頻率相同時(shí)，更容易導(dǎo)致振動(dòng)問(wèn)題的出現(xiàn)，這不僅會(huì)造成較嚴(yán)重的噪聲污染，同樣也會(huì)威脅水輪機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪加工工藝對(duì)其穩(wěn)定性造成的影響。水輪機(jī)組加工以及制造過(guò)程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)輪葉片型線不精準(zhǔn)問(wèn)題，或者由于其構(gòu)件在焊接時(shí)出現(xiàn)了誤差，將導(dǎo)致其葉片的進(jìn)出口位置開口值不均勻，由此一來(lái)，水輪機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)由于轉(zhuǎn)輪上出現(xiàn)橫向力不平衡而導(dǎo)致產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。

第三，迷宮環(huán)加工問(wèn)題。當(dāng)迷宮環(huán)加工的橢圓度過(guò)大，將造成迷宮間隙不均勻，進(jìn)而引發(fā)水輪機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題的出現(xiàn)，其頂蓋發(fā)生垂直跳動(dòng)，水導(dǎo)擺度增大。

4.3水輪機(jī)的構(gòu)建質(zhì)量因素

安裝質(zhì)量對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響也不可忽視。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)。此外，導(dǎo)葉開口值調(diào)整不均勻也是水輪機(jī)振動(dòng)的根源之一。

5　提高水電站水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的措施

5.1提升水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)水平

水輪機(jī)的設(shè)計(jì)將決定其性能，保證水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段的CFD（流體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)）以及模型試驗(yàn)應(yīng)用較為廣泛。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求相關(guān)技術(shù)人員具備深厚的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)還能夠從其自身的工作經(jīng)歷中吸取經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)將工作經(jīng)驗(yàn)用于實(shí)踐，利用CFD流體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)，模型對(duì)泄水錐、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的翼型進(jìn)行優(yōu)化，以提高其水輪機(jī)尾水管的壓力脈動(dòng)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(dòng)的幅值也比較大。

5.2提高日常管理水平

對(duì)水輪機(jī)實(shí)行合理的日常管理，能夠有效提升設(shè)備的運(yùn)行效率，同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命。具體而言，應(yīng)做到以下幾個(gè)方面。①盡可能保證水輪機(jī)的設(shè)備在規(guī)定范圍內(nèi)運(yùn)作。水電站的各個(gè)系統(tǒng)中均包括調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全保證其運(yùn)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(shí)數(shù)掌控在約5%范圍內(nèi)。②在設(shè)備的運(yùn)作過(guò)程中應(yīng)注意躲避振動(dòng)區(qū)域。設(shè)備大約有兩個(gè)振動(dòng)區(qū)，因此通常的做法是在設(shè)備的開啟及停運(yùn)時(shí)刻以較快速率來(lái)運(yùn)行，從而有效躲避振動(dòng)區(qū)域，不僅如此，在平時(shí)的活動(dòng)中也應(yīng)盡可能地減少設(shè)備的開啟和停止次數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，常會(huì)出現(xiàn)由于設(shè)備的開啟或停止而導(dǎo)致的葉片裂縫問(wèn)題。③設(shè)備運(yùn)行的時(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。

5.3加強(qiáng)水輪機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量控制和設(shè)備維修

加強(qiáng)水輪機(jī)設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品質(zhì)量控制是提高其運(yùn)行穩(wěn)定性的重要方法。首先，應(yīng)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(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)階段的工作降低其發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題的可能，如提高葉片部分設(shè)計(jì)的科學(xué)性，局部加強(qiáng)葉片根本。

水輪機(jī)使用過(guò)程中的維護(hù)工作依然十分重要。因?yàn)樗啓C(jī)的葉片、轉(zhuǎn)輪等構(gòu)件會(huì)在使用過(guò)程中受到磨損和氣蝕，因此有必要對(duì)其進(jìn)行定期檢查和日常維護(hù)。在補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)注重構(gòu)件變形情況，并在完成后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

由于水電站具有環(huán)保特性，再加上我國(guó)自身水資源充足，水電站在我國(guó)具有較為廣闊的發(fā)展前景，近年來(lái)，我國(guó)也建立了較多的水電站，相關(guān)研究也得到不斷深入。通過(guò)對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性涉及的問(wèn)題進(jìn)行細(xì)致研究，進(jìn)而不斷提高其工作水平。

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.16.042

TK733.1

A

1673-0194（2016）16-0064-02

2016-07-02