水輪機穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化策略

杜長根

(廣東鴻源眾力發(fā)電設(shè)備有限公司，廣東 韶關(guān) 512031)

目前我國水輪發(fā)電機組的發(fā)展方向是大容量和高速率。但是我國目前的冶金技術(shù)發(fā)展跟不上水輪機對制造材料的要求，制造的水輪機硬度達不到要求。

加上我國自動化技術(shù)的發(fā)展進步，各行各業(yè)都在追求高自動化，目前我國的絕大多數(shù)的水電站都采取了自動化運行的模式，很少需要工作人員來操作。因此對水輪機的穩(wěn)定運行這一硬性要求更高。

本文就介紹“混流模式”的水輪機，介紹了幾種影響水輪機運行穩(wěn)定的因素，通過解決這些因素并根據(jù)實際運行環(huán)境，對水輪機的發(fā)展提出幾點建議。

1 水輪機的穩(wěn)定性和必要性的意義

評定水輪機好壞的三個重要指標，一是水輪機的能量，二是水輪機的空化。三是水輪機的穩(wěn)定性。

其中水輪機的能量和水輪機的空化很容易判定，同時對水輪機進行一定程度的挖掘能夠降低水電站運維的資金損耗，增加水電站的收成。

因此現(xiàn)階段水輪機的設(shè)定很注重水輪機的能量和空化，就這兩個指標投入研究更大。

而水輪機的穩(wěn)定性主要是影響也水輪機的運作安全，但是目前對水輪機設(shè)計中對水輪機的穩(wěn)定性重視程度不夠，并且影響水輪機穩(wěn)定性的因素較多，解決對策不足，所以目前在水輪機設(shè)計當中對穩(wěn)定性的研究比較淺。

Shippers’ Port Choice in Terms of Customer Satisfaction

水輪機在運作的時候，它的震動幅度是我們檢測水輪機穩(wěn)定性的一個重要指標，包括水利震動和機械震動。

水輪機在運行過程中它的不穩(wěn)定指數(shù)超過安全指數(shù)后，超額的震動會導(dǎo)致水輪機內(nèi)部細小零件的松動甚至是脫落，很多程度上會造成水輪機內(nèi)部零件出現(xiàn)裂紋，同時震動的頻率如果和廠房頻率相同，也會造成廠房產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成廠房坍塌，進而威脅工作人員的生命財產(chǎn)安全。

近些年我國工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，電力需求加大，水利發(fā)電電廠都改為使用大功率的水輪機發(fā)電，大功率的水輪機在發(fā)電時更容易產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。

這些都會影響水輪機的使用壽命和水電站的安全，因此，現(xiàn)階段水輪機在設(shè)計生產(chǎn)當中也要注重水輪機穩(wěn)定性的研究。

2 影響水輪機穩(wěn)定性的幾個因素

影響水輪機穩(wěn)定性的多個因素當中，水輪機設(shè)計的缺陷是最為嚴重。

在水利發(fā)電中，最理想的狀態(tài)是水輪機的轉(zhuǎn)輪出水口水流應(yīng)該是近法向流出，通俗的說就是水流從出水口進去多少，就從出水口流出多少，如果水輪機在工作當中，出水口的水流量要小于進水口的水流量，那么水流就會在水輪機當中形成環(huán)流，這時就較為容易讓水輪機產(chǎn)生振動現(xiàn)象，就會危及水輪機的安全。

另外，水流中不穩(wěn)定的水利流動也會讓機組偏離設(shè)計初衷，它也會影響水輪機的進水口和出水口的葉片，嚴重的會造成葉片脫落和產(chǎn)生裂縫，但是這種因素影響較小，大多數(shù)會形成水流噪音。威脅程度相對來說比尾水管壓力脈動和卡門渦列較小。

水輪機在制作和建設(shè)中應(yīng)該注意像頂蓋和底環(huán)這些過流零件對剛度的要求，如果這些材質(zhì)的剛度較低，水輪機在運行過程中，流道中水流長時間對水輪機葉片的作用會導(dǎo)致部分葉片產(chǎn)生裂痕從而影響水輪機的正常運行。

同時，水輪機葉片制作的工藝也會影響水輪機的穩(wěn)定性，如果流道中葉片的線型加工不精準、焊接技術(shù)達不到要求，會造成葉片受力不均，從而產(chǎn)生振動危及水輪機的穩(wěn)定性。

水輪機的安裝步驟和要求也是影響水輪機穩(wěn)定性的重要因素之一，在安裝水輪機過程中，一定要讓每一個水輪機的導(dǎo)軸承在同一條軸心上，水輪機做的軸心不正的話也會造成轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙分布不均從而造成水力振動，同時也會造成軸系上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)橫向力和脈動軸向力，這些都會讓軸承產(chǎn)生對應(yīng)方向的機械震動。

3 提升水輪機穩(wěn)定性策略研究

3.1 完善設(shè)計方案，提升設(shè)計水準

完善的設(shè)計方案是保證水輪機穩(wěn)定的重要保障，所以為了提高水輪機運行的穩(wěn)定，水輪機的設(shè)計師在設(shè)計水輪機時要具有更高的專業(yè)水準和更高端的專業(yè)目光。

目前，我國就水輪機的設(shè)計來說和國外在很多的設(shè)計思想上不謀而合，現(xiàn)在最為普遍的是計算流體動力學(xué)分析技術(shù)(CFD)和模型試驗。

設(shè)計師在設(shè)計水輪機的過程中，應(yīng)該以計算流體動力學(xué)分析技術(shù)和模型試驗為基礎(chǔ)，應(yīng)該優(yōu)化水輪機的流道中的導(dǎo)葉翼型、轉(zhuǎn)輪葉片翼型和泄水錐，減少水輪機產(chǎn)生卡門渦列，降低尾水管中心偏心渦帶和尾水管壓力脈動幅度。

3.2 提高品質(zhì)，增強維護能力

除了在設(shè)計方案中提高設(shè)計水準，在提高水輪機的穩(wěn)定性方法還有以下幾種：

(1)增加水輪機零件制作工藝，減少水輪機在運作過程中扇葉變形的概率；

(2)在水輪機中轉(zhuǎn)輪作為一個重要的零部件，它的穩(wěn)定直接關(guān)系到水輪機的穩(wěn)定，所以在設(shè)計轉(zhuǎn)輪時要考慮不同負荷的水量對轉(zhuǎn)輪的影響，降低水輪機產(chǎn)生共振的概率，讓轉(zhuǎn)輪和尾水管不容易發(fā)生共振現(xiàn)象。

(3)一些重要的零部件最好是使用不銹鋼和一些高級材料制作，精確計算葉片的尺寸和形狀，加大精確測量工具的使用，減少誤差，同時也減少了轉(zhuǎn)輪重量和葉片葉型造成的偏差引起的水力和機械不平衡從而產(chǎn)生附加的交變應(yīng)力。

(4)增加水輪機的維護頻率。在實際使用中，工作人員應(yīng)當盡心盡責，做好自己的分內(nèi)事，對水輪機的葉片、轉(zhuǎn)輪這些重要零部件多做檢測和維護，減少不必要的維護，間接的增加水輪機的誰用時間。

3.3 注重日常運維工作，保障水輪機工作穩(wěn)定

水輪機在工作中，工作人員也該做好管理工作，細節(jié)決定成敗，只有做好細節(jié)工作，才能增加水輪機的使用壽命，從而提供水利發(fā)電效率，增加發(fā)電量。具體的要做到以下三點：

(1)水輪機在工作時要躲避震動區(qū)域。水輪機在開啟和關(guān)閉的時候要提高水輪機的轉(zhuǎn)到速度，這種操作方法可以躲避震動區(qū)；

(2)水輪機的運作要在規(guī)定的時間內(nèi)。目前我國的水電站都有調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)，要盡量保證水輪機的運行時間在水電站的發(fā)電要求時間中，但是在實際運作中往往很難保證，所以應(yīng)該把運行時間控制在5%之內(nèi)，避免超時運行而造成的水輪機壽命的減短。

(3)新一代的水輪機的操作模式較為多樣，所以水輪機的運行時工作人員要時刻做好監(jiān)督工作，要明確每一種模式的運行原理和結(jié)果。

4 總計

我國除了長江和黃河這兩條母親河，還有大大小小的上千條河流，我國地勢東低西高，中西部地區(qū)海拔落差較大，形成很多個瀑布，水利發(fā)電相對于火力發(fā)電更清潔、更環(huán)保，因此水力發(fā)電在我國發(fā)電行業(yè)中所占的比重越來越大，這也促進了我國水力發(fā)電的技術(shù)的提高，所以在今后的水輪機的設(shè)計規(guī)劃中，要重點考慮水輪機的穩(wěn)定性，把水輪機的穩(wěn)定考慮進水輪機的能量和空化量指標中，在水輪機的設(shè)計、生產(chǎn)以及安裝中，要做到設(shè)計合理、生產(chǎn)嚴謹、安裝細致，只有這樣才能建立一個安全高效的水利發(fā)電站，輸送更多的電力資源，鑄就我國的經(jīng)濟建設(shè)走上新的臺階。

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