影响混流式水轮机稳定性的因素与应对措施

黄小飞

(湖北省电力公司 黄龙滩水力发电厂，湖北 十堰442000)

混流式水轮机具有结构简单、效率高、制造工艺成熟的优点，是水电站运行的重要设备，对保障水电站低成本、高效益的运行具有重要作用，目前已在我国水电站中得到了大范围的应用和推广。 随着水轮机机组容量的提高、尺寸的增加以及刚度的降低，混流式水轮机机组运行的稳定性问题更加突出，特别是机组震动、压力脉动和叶片裂纹严重威胁着水轮机运行的安全和稳定， 不利于水电站经济效益的实现，因此，对影响混流式水轮机稳定性的因素进行分析，找出科学有效的应对措施提高水轮机的稳定性非常有必要。

1 影响混流式水轮机稳定性的因素

1.1 水力方面

水力因素是引起混流式水轮机振动的最重要因素之一。水轮机处于工况运行，如果水轮机处于空载、小负荷或者是超负荷状态时，水轮机不仅要承受水流的压力荷载，还要承受压力脉动和水力扰动引起的动态荷载，特别是当水轮机偏离最优工况运行状态时，比如处于低水头50%左右负荷运行状态的时候， 轮转出口水流很容易产生旋转，使得水流在尾水管中心区域产生真空， 当真空达到一定限度的时候，就会形成漩涡带， 由于带状漩涡是水流绕尾水管进行的不稳定旋转，尾水管必定会出现低频压力脉动，进而破坏尾水管，引起水轮机机组振动，最终影响混流式水轮机运行的稳定性；如果水轮机机组转动、固定部分间隙不均，转轮中心就会与机组中心发生严重偏移，转轮周围的固定部分和转动部分的间隙就会不断变化，在变化过程中，转轮在水压力作用下就会形成一种合力，这种合力使转轮中心与机组中心的偏移更加严重，在一定程度上加剧了对水轮机的振动；当水轮机机组运行状态脱离了设计工况，水流在绕流叶片的过程中，在叶片的进口和出口就会交替出现涡列，如果转轮叶片的振动频率与叶片自振频率相同或成倍数关系，就会产生共振，通常情况下这种共振表现为水流噪音，而当共振足够强烈，则会引起叶片断裂。

1.2 制造方面

在混流式水轮机加工制造方面，影响水轮机稳定性的因素主要来自三个方面。第一，在加工工艺方面，由于混流式水轮机采用的焊接方式是T 型焊接，如果焊接出现误差、热处理不当或者是叶片的线形加工不够精确，那么叶片进出口开口值就会出现不均匀，叶片上就会产生由水流引起的不平衡应力，使得叶片容易在交替变化的负荷作用下出现疲劳，进而引起水轮机机组振动。 第二，叶片与下环、顶盖的焊接部位是水压力作用的集中应力区，因此，过流部件区是最易产生疲劳的区域，流部件在水压力作用下易产生应力进而产生弹性变形，水流的搅动也会引起下环、顶盖的震动，当下环、顶盖的固定震动频率与水流振动频率相同的时候，水轮机机组就会产生振动和噪音，对与频率较大、转速较低的机组来说，其过流部件所具有的固定频率较小，更容易与水流震动频率想接近。 第三，如果叶片出水边相对于进水边来说较薄，两者之间强度就会出现较大差异，在水流的不平衡应力作用下叶片易出现疲劳，进而产生破裂。

1.3 安装运行方面

安装也是影响水轮机稳定性的重要因素之一，特别是导叶和轴承的安装不同心导致轴线不正，迷宫环的间隙就会出现不均匀，容易引起水流震动和轴承机械振动。 此外，混流式水轮机是水电站得以正常运行的重要动力，承担着电网系统的调峰和调频，所以，水轮机不可避免的要进行长时间的运行，那么水轮机转轮在长期运行中必然会出现疲劳，过度循环的旋转使得水轮机裂纹产生的几率大大增加。

2 提高混流式水轮机稳定性的措施

2.1 提高水力设计的科学性与合理性

水轮机制造企业在进行水轮机设计的时候，必须确保水力设计的科学性与合理性，只有这样才能够保证水轮机的稳定性。首先，泄水锥对压力脉动具有重要作用，这就要求设计者要充分吸收国内外先进设计成果，通过对水电站的模拟试验，对泄水锥进行优化，使泄水锥充分发挥减轻带状漩涡区压力脉动的作用；其次，在尾水管内设计新型稳定装置，比如稳流片、同心圆等，改善水轮机组运行的稳定性，此外，尾水管补气装置的补气结构、方式甚至是补气量都会对水轮机的运行带来影响，试验证明，优化顶盖装置能够有效解决特殊压力脉动。在进行水轮机选型设计的时候，必须对水轮机效率特性、汽蚀特性、稳定性三者之间的关系进行详细的分析和研究，合理选择水轮机比速和设计水头，优化额定工况点的效率，正确确定水轮机的吸出高度和安装高程，降低汽蚀系数，从根本上改善混流式水轮机的稳定性。

2.2 提高混流式水轮机制造质量

混流式水轮机机组的质量是影响水轮机运行稳定性的重要因素，因此在制造过程中必须从材质、制造工艺、叶片加工工艺、机组焊接工艺等方面加强对水轮机质量的控制。 首先，提高水轮机流通部件比如顶盖、下环、转轮的刚度，降低水力作用下的变形，在制造的时候应采用不锈钢，解决焊接质量问题，比如铸件应采用VOD 精炼，由于转轮是水轮机的核心部件， 在制造前必须对其固定频率进行优化设计，在设计时必须充分考虑转轮固定频率、尾水管固定频率与低压负荷时水流涡带频率之间发生共振的可能性，尽量使三者远离共振区，然后通过计算机软件对转轮进行造型，用五轴数控加工，将叶片的厚度控制在合理范围内，确保叶形的精确性，在转轮进行粗加工后，要进行一定的静态平衡实验，有效降低转轮重量与叶轮、叶形之间的偏差。在后期对水轮机进行维护也是质量控制的有效手段，可采用补焊的方法对转轮与导叶因汽蚀、磨蚀产生的破坏进行修复，并加强对转轮和导叶变形的监测，进行补焊修复后要进行静平衡试验，为修复后水轮机运行的稳定性提供保障。此外，要加强对水轮机的日常养护和管理，规定水轮机的运行范围和运行时间，在运行过程中尽量避开振动区域，在日常运行中最大限度减少机组开机和停机次数， 并加强机组的在线检测，确保获得水轮机机组运行工况参数的及时性和准确性。

3 结语

总之，混流式水轮机的稳定性直接关系着水电站运行安全性和稳定性，也关系着水电站经济效益的实现，要保证水轮机高效稳定的运行，就必须从全方位、多角度着手，将提高水轮机的稳定性贯穿于水轮机水力设计、结构设计、制造、安装、运行的整个过程中，保证水轮机的质量，使水轮机更加符合水电站安全运行的规范标准，进而提高水电站的工作效率，实现水电站经济效益和社会效益的双收。

［1］于德荣，崔光源.提高混流式水轮机稳定性的措施[J].长春工程学院学报，2008，9（3）：23-25.

［2］张锴.关于水轮机稳定性问题探讨[J].中国新技术新产品，2013，18（4）：162.

［3］龚芹炬.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究[J].河南科技，2013，52（2）：113-114.

［4］初曰亭.提高混流式水轮机稳定性的对策[J].水力发电，2006，32（3）：45-47.