水轮发电机组稳定性研究

张会明

黄河上游水电开发有限责任公司陇电分公司盐锅峡运行分部

近年来，水力发电领域进入了新的突破时期。随着三峡等大型工程的投入使用，水电占电力生产的比重逐渐加大。然而实际生产过程中，由于许多电站使用了超大型水轮发电机，尺寸的增大也带来了许多问题：尽管在设计之初，已经使用了现代流体当面的模拟仿真方法进行计算、制造过程也严格把关了材料的质量，加工过程严格而精确，但过大的体积必然导致不稳定工况的增多，振动加大、压力脉冲难控都是典型问题，有些设备甚至使用不久便出现裂纹。尤其是设备采用高水头设计时，水轮机组的振动更为剧烈。本文试图通过对造成水轮机不稳定的原因进行探讨，从而对提高其稳定性提供合理的思路。

保障水轮发电机组稳定性的意义

相比起煤等发电等途径，水在环保、重复利用率方面优势巨大。然而我国水力发电占总量依然不到20%，对水力资源的利用率依然很低。故而水电依然处于可大力发展的成长期。

水轮发电机可以把水运动时具有的势能和动能经过电磁感应转化为电能，为发整个工作得以实现的直接载体。作为关键设备，其工作是否稳定关系到整个厂区工作的效率与成败。除单机工作稳定外，还需要对机组共同运行时的稳定性和叶片的裂纹问题进行分析，以减少隐患。

影响水轮发电机组稳定性的因素及要求

自20 世纪50 年代以来，对水轮机稳定性的探究基本集中在三点：

①电磁，主要是设计制造过程中电机转磁场方面设计的参数误差和不平衡所致。电机转子的圆度误差、所留间隙的具体大小都将直接影响到运行的稳定。

②制造安装误差，主要是在加工方面，由于大型设备通常采用分段制造运输再在工作场地组装的方式，标准的不统一、安装的误差等都有可能造成转子重量等与设计参数存在偏差。不平衡的机构在运行时必然导致作用力不均而振动。对小型设备而言，整机整体制造可以大大减小安装等方面的误差，但制造精度难以保证。

③水力，是影响稳定的最主要因素，包括尾水的压力脉动、水轮机转轮的压力脉动、尾涡的紊流、蜗壳鼻端与转轮叶片相互作用引起的振动、流到的非对称性引起的振动、轴流式机组的狭缝射流、气蚀引起的振动、运行方式引起的振动等。由于水力条件的复杂性，其产生的不稳定因素种类也最多，最难以控制。故水力方面是否稳定是全部工作流程良好的关键。

在长期的实践过程中，通过研究总结出了保证水轮机稳定的几项要求：

压力，尤其是尾水管的脉动，需要控制在合理范围内，必须抑制高负荷压力脉动的产生；①抑制涡流，特别是叶片和水分离处附近；②叶片进口边负压面初生空化线和正压面初生空化线不能进入水轮机长期连续安全稳定运行范围内。

对稳定性研究的方法

水轮机的工况受到制造加工、水力条件、电磁参数等多个领域的作用。目前，针对稳定性的考量，基本采用三个参数：振动，主要指水轮机整体和各部件相对位置发生的偏移程度；①摆度，通过考察机体轴线在往复运动中的振幅二得到②脉动，是衡量流经机器内流体压力的指标。

在这三项指标里，振动为衡量稳定性的最重要考虑对象。它可以分为常见振动与异常振动，常见振动可以通过减小激振力和增加水轮机部件的刚度来减弱，异常振动是由于环境条件及偶然误差造成的，可以通过调节来避免。

在现代理论水平上，对振动的研究通常使用有限元法，结合水轮机轴系振动的研究，分析轴系的振动参数，并根据各变量间关系来推算不同调节下的振动规律。

对水轮机振动的衡量，可以采用移和速度两种方式。在实际运行中，水轮机的振动以转速来分级分析，通常以300 转/min 作为分界点，低于300 主要用位移考量，高于300 则采用速度分析。

设计制造时提高稳定性

水头参数设计的合理性

在设计过程中，应使水头保持在合理的范围内，从而减小水轮机的振动的幅度，抑制裂纹的产生，达到提高整机稳定性的目的。此外，还应在确定叶片负荷合理的条件下，使其负荷区域在稳定数值范围。总而言之，水头要稳定。

水力方面的合理性

为了保证水轮机工作的稳定性，必须使机体在运行过程中的强度达标，除了材料的选择外，比转速也会对强度产生作用。正常条件下，不要选用过高比转速。还需严格控制导叶的相对高度，不能过高。此外，流量过大也会使稳定性变差。

①抑制叶道涡，根据水头的不同，选择合理的水管中的压力脉动来实现。

②合理选择转轮的形状、参数，在刚度达标的前提下，尽量通过合理的形状与尺寸来适应水头、负荷的变化。

优化转轮的设计

水轮机需要足够的刚度和强度才能保证运行的可靠，转轮部分更是有着更多限制条件。叶片部分受到的应力不能过大，出水边由于受到的应力最大，应该采用加粗的方法。加工过程中，还应该注意止漏环和泄水锥与相关部件的配套。

此外，由于共振对机体的伤害最大，故而需要使各部件的固有频率合理，还需进行水动力分析，得到水边卡门涡的参数，使其频率不与机体频率相近。

工作过程中的控制

在传统水电站运行管理中，由于难以对机组的振动进行实时监控分析，发生故障也难以迅速找到原因，故而定期检修和停机成为常态。近年来，随着电子技术、信号技术及建模能提的提升，对机组振动的实时监控成为可能。

除了进行检测和故障识别外，还需进行稳定性分析和实验。通过实验明确该工作条件下机组的运行状态及影响稳定性的主要成因，并估算工作可靠的时间范围和故障可能发生的区域，提早做到预防工作；此外，还需把具体的运行状态和设计的理想条件相对比，使设计更为有效。

总述

水轮发电机，其稳定性主要受到加工、电磁、水力三方面的影响，其中水力条件为关键。针对稳定性的分析主要采用有限元及建模的方式，主要考虑振动的影响。为提高稳定性，设计过程中应把握好各参数，运行过程中改善监控、调节的方式为重点。