混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運行的主要水力因素分析

陳瑋

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水電事業(yè)也得到了很大的進(jìn)步，混流式水輪機(jī)在水電站的應(yīng)用，其穩(wěn)定性直接影響著水電站的經(jīng)濟(jì)效益。隨著混流式水輪機(jī)機(jī)組容量、尺寸與轉(zhuǎn)速越來越大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性問題也日益突出。該文針對型號為HL100-LJ-100混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性在水力方面存在的問題進(jìn)行分析，并提出有效對策。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī) 穩(wěn)定性 水電事業(yè)

中圖分類號：TK733.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0069-01

穩(wěn)定性問題是現(xiàn)代水輪機(jī)正常運行的重要指標(biāo)之一，其不穩(wěn)定性現(xiàn)象是其本身的固有特性。由于早期水輪機(jī)的容量小，穩(wěn)定性問題不是很明顯。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型混流式水輪機(jī)的生產(chǎn)，在不同程度上存在著水力方面的不穩(wěn)定性問題也越來越明顯，給電站造成很大的損失。因此，本文通過對天臺縣龍溪水力發(fā)電站混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對提高混流式水輪機(jī)在水力方面的穩(wěn)定性是十分重要的[1]。

1 混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運行的水力因素

1.1 混流式水輪機(jī)處于低水頭大流量運行工況

混流式水輪機(jī)處于低水頭大流量運行工況時，水輪機(jī)為了滿足容量的需求，其流量必然增大，使水輪機(jī)的葉片受到水流的負(fù)沖角繞流，致使葉片頭部受壓力側(cè)造成脫流現(xiàn)象，使水流分離成片狀渦串，通過水輪機(jī)的上冠、下環(huán)與葉片組成的流道流出。在這種情況下，由于水輪機(jī)負(fù)沖角小，而水輪機(jī)葉片將無法形成空化脫流現(xiàn)象，就算發(fā)生此種情況，對水輪機(jī)也不會造成大的威脅，通常采用水輪機(jī)尾水管補氣方式，就可以產(chǎn)生明顯的效果。

1.2 混流式水輪機(jī)處于高水頭小開度運行工況

混流式水輪機(jī)處于高水頭小開度運行工況下，由于轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量過大，容易造成水輪機(jī)在運行過程中出現(xiàn)局部真空現(xiàn)象，造成水輪機(jī)周圍出現(xiàn)復(fù)雜旋渦運動，隨著旋渦振擺幅度增大，導(dǎo)致水輪機(jī)發(fā)生低壓力脈動，而旋渦由于受到水輪機(jī)尾水管壁的作用，會形成一個上、下反復(fù)幅動的激振源，使水輪機(jī)的上冠、下環(huán)與葉片組成的流道不斷受到壓力，破壞水輪機(jī)的尾水管壁，使水輪機(jī)在運行中出現(xiàn)不穩(wěn)與噪音現(xiàn)象，及不利于水輪機(jī)的正常運行[2]。

1.3 設(shè)計時水輪機(jī)最大運行水頭與額定水頭比值過大

根據(jù)HL100-LJ-100混流式水輪機(jī)額定水頭234.0 m可以得出，當(dāng)HL100-LJ-100混流式水輪機(jī)的最大運行水頭大于或者等于273.0 m時，混流式水輪機(jī)處于不穩(wěn)定區(qū)域運行中，這是由于水輪機(jī)水頭高于273.0 m時，遠(yuǎn)離最優(yōu)設(shè)計工況，這時水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖角大，導(dǎo)葉開度小，造成水輪機(jī)葉片頭部形成局部真空或者側(cè)脫流空化現(xiàn)象，而由于水流受力不均勻，導(dǎo)致其流動不均，容易產(chǎn)生二次流動，增加渦流的不穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會破壞水輪機(jī)的葉片頭部。

1.4 混流式水輪機(jī)處于負(fù)荷變化過大工況

當(dāng)混流式水輪機(jī)處于負(fù)荷變化過大工況，水輪機(jī)水頭向高水頭方向移動，水輪機(jī)葉片正面受到水流的沖擊力的作用，當(dāng)水頭沖擊力大于設(shè)計水頭的沖力1.1倍時，容易造成水輪機(jī)葉片背面出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，因此水輪機(jī)在水力方面的穩(wěn)定性主要取決于水輪機(jī)在高水頭運行時的穩(wěn)定狀況。當(dāng)水輪機(jī)水頭向低水頭方向移動時，水輪機(jī)葉片正面所受的水流沖擊力小，在水流量大的區(qū)域內(nèi)容易導(dǎo)致水輪機(jī)葉片正面進(jìn)口處形成較強(qiáng)的水輪機(jī)尾水管渦流與脫流空化渦流現(xiàn)象，在水輪機(jī)額定輸出功率控制范圍外。水輪機(jī)水頭向高水頭方向移動時，其葉片所受水流沖力主要是由于水輪機(jī)額定水頭低于水輪機(jī)水頭，導(dǎo)致水輪機(jī)導(dǎo)葉開度變小，水輪機(jī)處于偏離最優(yōu)工況運行，發(fā)生水流與水輪機(jī)葉片撞擊現(xiàn)象。因此水輪機(jī)處于高水頭段容易發(fā)生不穩(wěn)定運行現(xiàn)象[3]。

2 提高混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性措施

混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性問題會使水電站受到不同程度的影響，導(dǎo)致水輪機(jī)無法正常運行，影響水電站的經(jīng)濟(jì)效益，因此采取一定的措施，提高混流式水輪機(jī)運行的穩(wěn)定性是非常重要的。

2.1 提高制造安裝檢修工藝水平

所謂提高混流式水輪機(jī)的制造安裝檢修工藝，就是要求混流式水輪機(jī)生產(chǎn)商盡可能的提高混流式水輪機(jī)的加工精度，提高混流式水輪機(jī)的水平度、同心度等，還要提高水輪機(jī)主要機(jī)械部件的強(qiáng)度，例如主軸、座環(huán)等?；炝魇剿啓C(jī)的檢修則需要檢修單位對水輪機(jī)在運行過程中存在的問題及時進(jìn)行維修，做到精修、細(xì)修，把握好水輪機(jī)檢修質(zhì)量要求[4]。

2.2 選擇合理的運行方式

作為HL100-LJ-100混流式水輪機(jī)的管理者應(yīng)當(dāng)根據(jù)天臺縣龍溪水力發(fā)電站的環(huán)境與HL100-LJ-100混流式水輪機(jī)運行數(shù)據(jù)，對水輪機(jī)的長期運行狀態(tài)進(jìn)行分析，確保水輪機(jī)在穩(wěn)定的工況下運行，并根據(jù)水電站的環(huán)境制定出合理的運行方式，例如水輪機(jī)在平水期、檢修期的運行方式等，保證水輪機(jī)在各種情況下達(dá)到合理的運行方式。

2.3 加強(qiáng)設(shè)備的整治和改造

在混流式水輪機(jī)生產(chǎn)運行期間，生產(chǎn)運行單位應(yīng)做好水輪機(jī)設(shè)備的整治與改造工作，將水輪機(jī)存在的小問題的根源扼殺在搖籃中，避免水輪機(jī)故障的擴(kuò)大化。對于水輪機(jī)存在的大一些的問題應(yīng)積極主動地進(jìn)行檢修處理，對于處理不了的問題，應(yīng)及時向上級管理部門、生產(chǎn)商、設(shè)計方進(jìn)行溝通協(xié)商，尋找解決方式，確保水輪機(jī)的整治與改造工作的合理性，從而提高水輪機(jī)的運行穩(wěn)定性，避免影響水電站的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性問題直接影響著水電站的經(jīng)濟(jì)效益，因此為了確保混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運行，就必須從混流式水輪機(jī)制造安裝檢修工藝水平、運行方式與設(shè)備的整治和改造等方面進(jìn)行全方位的提高，使混流式水輪機(jī)在安全的運行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下運行，進(jìn)而提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃漢云，朱桂林.混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運行的主要水力因素淺析[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2010，126（5）：115-117.

[2] 吳次光，青長庚.混流式輪機(jī)電站運行穩(wěn)定性與裝機(jī)容量選擇的探討[C]//大中型混流式水輪機(jī)運行穩(wěn)定性專輯，2009.

[3] 韋彩新，韓鳳琴，孫建平.大型混流式水輪機(jī)小負(fù)荷工況振動研究[J].中華理工大學(xué)學(xué)報，2009，26（10）：73-75.

[4] 方源，湯湘軍.成家寨水輪機(jī)運行狀態(tài)對水輪機(jī)選型設(shè)計的啟示[J].水力發(fā)電學(xué)報，2009，95（1）：33-34.

[5] 伍曉芳，閉貴福，梁玉福.大型混流式水輪機(jī)尾水管振動數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].廣西電力研究，2009，68（5）：57-59.endprint