混流式水轮机稳定运行的主要水力因素分析

陈玮

摘 要：随着科学技术的不断发展，水电事业也得到了很大的进步，混流式水轮机在水电站的应用，其稳定性直接影响着水电站的经济效益。随着混流式水轮机机组容量、尺寸与转速越来越大，其内部结构也越来越复杂，混流式水轮机的稳定性问题也日益突出。该文针对型号为HL100-LJ-100混流式水轮机稳定性在水力方面存在的问题进行分析，并提出有效对策。

关键词：混流式水轮机 稳定性 水电事业

中图分类号：TK733.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0069-01

稳定性问题是现代水轮机正常运行的重要指标之一，其不稳定性现象是其本身的固有特性。由于早期水轮机的容量小，稳定性问题不是很明显。但随着科学技术的发展，大型混流式水轮机的生产，在不同程度上存在着水力方面的不稳定性问题也越来越明显，给电站造成很大的损失。因此，本文通过对天台县龙溪水力发电站混流式水轮机的稳定性进行研究，对提高混流式水轮机在水力方面的稳定性是十分重要的[1]。

1 混流式水轮机稳定运行的水力因素

1.1 混流式水轮机处于低水头大流量运行工况

混流式水轮机处于低水头大流量运行工况时，水轮机为了满足容量的需求，其流量必然增大，使水轮机的叶片受到水流的负冲角绕流，致使叶片头部受压力侧造成脱流现象，使水流分离成片状涡串，通过水轮机的上冠、下环与叶片组成的流道流出。在这种情况下，由于水轮机负冲角小，而水轮机叶片将无法形成空化脱流现象，就算发生此种情况，对水轮机也不会造成大的威胁，通常采用水轮机尾水管补气方式，就可以产生明显的效果。

1.2 混流式水轮机处于高水头小开度运行工况

混流式水轮机处于高水头小开度运行工况下，由于转轮出口环量过大，容易造成水轮机在运行过程中出现局部真空现象，造成水轮机周围出现复杂旋涡运动，随着旋涡振摆幅度增大，导致水轮机发生低压力脉动，而旋涡由于受到水轮机尾水管壁的作用，会形成一个上、下反复幅动的激振源，使水轮机的上冠、下环与叶片组成的流道不断受到压力，破坏水轮机的尾水管壁，使水轮机在运行中出现不稳与噪音现象，及不利于水轮机的正常运行[2]。

1.3 设计时水轮机最大运行水头与额定水头比值过大

根据HL100-LJ-100混流式水轮机额定水头234.0 m可以得出，当HL100-LJ-100混流式水轮机的最大运行水头大于或者等于273.0 m时，混流式水轮机处于不稳定区域运行中，这是由于水轮机水头高于273.0 m时，远离最优设计工况，这时水轮机转轮进口水流冲角大，导叶开度小，造成水轮机叶片头部形成局部真空或者侧脱流空化现象，而由于水流受力不均匀，导致其流动不均，容易产生二次流动，增加涡流的不稳定性，严重时会破坏水轮机的叶片头部。

1.4 混流式水轮机处于负荷变化过大工况

当混流式水轮机处于负荷变化过大工况，水轮机水头向高水头方向移动，水轮机叶片正面受到水流的冲击力的作用，当水头冲击力大于设计水头的冲力1.1倍时，容易造成水轮机叶片背面出现脱流现象，因此水轮机在水力方面的稳定性主要取决于水轮机在高水头运行时的稳定状况。当水轮机水头向低水头方向移动时，水轮机叶片正面所受的水流冲击力小，在水流量大的区域内容易导致水轮机叶片正面进口处形成较强的水轮机尾水管涡流与脱流空化涡流现象，在水轮机额定输出功率控制范围外。水轮机水头向高水头方向移动时，其叶片所受水流冲力主要是由于水轮机额定水头低于水轮机水头，导致水轮机导叶开度变小，水轮机处于偏离最优工况运行，发生水流与水轮机叶片撞击现象。因此水轮机处于高水头段容易发生不稳定运行现象[3]。

2 提高混流式水轮机稳定性措施

混流式水轮机的稳定性问题会使水电站受到不同程度的影响，导致水轮机无法正常运行，影响水电站的经济效益，因此采取一定的措施，提高混流式水轮机运行的稳定性是非常重要的。

2.1 提高制造安装检修工艺水平

所谓提高混流式水轮机的制造安装检修工艺，就是要求混流式水轮机生产商尽可能的提高混流式水轮机的加工精度，提高混流式水轮机的水平度、同心度等，还要提高水轮机主要机械部件的强度，例如主轴、座环等。混流式水轮机的检修则需要检修单位对水轮机在运行过程中存在的问题及时进行维修，做到精修、细修，把握好水轮机检修质量要求[4]。

2.2 选择合理的运行方式

作为HL100-LJ-100混流式水轮机的管理者应当根据天台县龙溪水力发电站的环境与HL100-LJ-100混流式水轮机运行数据，对水轮机的长期运行状态进行分析，确保水轮机在稳定的工况下运行，并根据水电站的环境制定出合理的运行方式，例如水轮机在平水期、检修期的运行方式等，保证水轮机在各种情况下达到合理的运行方式。

2.3 加强设备的整治和改造

在混流式水轮机生产运行期间，生产运行单位应做好水轮机设备的整治与改造工作，将水轮机存在的小问题的根源扼杀在摇篮中，避免水轮机故障的扩大化。对于水轮机存在的大一些的问题应积极主动地进行检修处理，对于处理不了的问题，应及时向上级管理部门、生产商、设计方进行沟通协商，寻找解决方式，确保水轮机的整治与改造工作的合理性，从而提高水轮机的运行稳定性，避免影响水电站的经济效益。

3 结语

混流式水轮机的稳定性问题直接影响着水电站的经济效益，因此为了确保混流式水轮机的稳定运行，就必须从混流式水轮机制造安装检修工艺水平、运行方式与设备的整治和改造等方面进行全方位的提高，使混流式水轮机在安全的运行规范标准下运行，进而提高水电站的经济效益[5]。

参考文献

[1] 黄汉云，朱桂林.混流式水轮机稳定运行的主要水力因素浅析[J].水电站机电技术，2010，126（5）：115-117.

[2] 吴次光，青长庚.混流式轮机电站运行稳定性与装机容量选择的探讨[C]//大中型混流式水轮机运行稳定性专辑，2009.

[3] 韦彩新，韩凤琴，孙建平.大型混流式水轮机小负荷工况振动研究[J].中华理工大学学报，2009，26（10）：73-75.

[4] 方源，汤湘军.成家寨水轮机运行状态对水轮机选型设计的启示[J].水力发电学报，2009，95（1）：33-34.

[5] 伍晓芳，闭贵福，梁玉福.大型混流式水轮机尾水管振动数值模拟及应用[J].广西电力研究，2009，68（5）：57-59.endprint