水轮机稳定性影响因素分析与优化策略

宋通林

（甘肃电投河西水电开发有限责任公司，甘肃 张掖 734000）

水轮机稳定性影响因素分析与优化策略

宋通林

（甘肃电投河西水电开发有限责任公司，甘肃 张掖 734000）

我国的水轮机设计逐渐呈现出大容量和大尺寸发展趋势，同样水轮机组的转速也在逐步提高，在实际使用环境中，人们也对水轮机的运行稳定性提出了更高的要求。因此，有必要提高水轮机设计的精细程度，着重分析其运行过程中影响稳定性的因素并采取优化措施。

水轮机设计；运行；稳定性

现阶段，我国水轮机正朝着大容量、大尺寸的方向发展，同时，其相对刚度也在不断弱化。科学技术的发展推动着我国整体自动化水平的提升，与此同时，我国水电站也在逐渐实现“无人值班”或者“少人值班”的目标，在此背景下，水轮机的设计重视运行的稳定性。混流式水轮机具有水头范围宽和结构简单的优点，其工作效率较高，在我国水电站的应用也较广。

1　水轮机运行质量评定的主要因素

在对水轮机进行质量评定时，一般需要考虑三个因素：一是水轮机的稳定性；二是水轮机的能量；三是水轮机空化。在这三个指标中，后两者的判断较为容易。同时，工作人员还能够对水轮机能量和水轮机空化进行挖掘和利用，使水电站成本得到有效降低，从而提高发电收益，也同样是因为这个原因，业内对水轮机能量和水轮机空化这两个指标更加重视，围绕这两个指标展开的研究也更加深入。相比之下，虽然水轮机运行的稳定性对水轮机工作质量也有重要影响，但针对性的研究较少。在实际运行中，水轮机的稳定性所涉及的因素繁多，内容也较为复杂，因此有必要对水轮机运行稳定性进行更加深入的研究。

2　水轮机运行稳定性概述

水轮机运行的稳定性，即水轮机组在日常运行的过程中所表现出来的机械振动及水力振动。处于运行过程中的水轮机具有较差的稳定性，会出现振动频率高且振动幅度大的情况，这将对水轮机的正常运转造成较为严重的不利影响，而且长此以往，会导致水轮机表面出现较多裂纹，严重时将会使水轮机所在的厂房和水电站的其他建筑产生振动现象，最终对水电站整体的运行造成威胁。研究结果表明，中型的水轮机在我国已经实现了生产制造的广泛化，但是很多水电站中的水轮机在使用过程中会出现振动问题，但是其严重程度有所不同，当振动问题逐渐严重后，水轮机的叶片以及轴瓦部分也随之出现许多裂纹，最终导致水电站运行的安全性和经济性得不到保证。综上所述，水电站的水轮机运行的稳定性非常重要，值得进行深入研究。水轮机稳定性按其产生的原因分为水力稳定性和非水力稳定性，非水力稳定性一般归为机械稳定性范畴。

3　混流式水轮机的显著特点

由于转轮叶片不可调节，混流式水轮机稳定运行的范围较窄，偏离最优工况的运行将导致转轮尾水管内水流流态的变化，水力效率降低，进而造成水轮机振动加剧。由于水电机组，特别是大型机组，通常是在电网中承担调峰和调频的任务，因此，一般要求其运行负荷和水头范围比较宽，加之水轮机的制造也仅能做到对混流式机组的60%～100%范围内的额定负荷提供可靠运行的保证，仅包括运转特性曲线上很狭窄的水头工作区。通过对混流式机组水力稳定性的分析，对已投运机组，无法轻易改善机组的结构和设计，最实际的改善机组稳定性的措施应从优化机组运行方式、改善水流特性等方面展开研究。

4　影响水电站水轮机运行稳定性的主要因素

4.1水轮机的水力因素

水力方面的因素对水轮机组设计工作的影响较小。在水轮机组正常运作过程中，其转轮的出口处将持续流出水且不会发生旋转。对于非最优工作状态中的水轮机，由于在水轮机尾的水管中受到作用力，其转轮出口处的水流形状将呈现为环状。当水轮机的低水头部分有40%～70%都处在负荷过程中时，其转轮的出口处水流将正向旋转，在这一过程中逐渐形成带状漩涡，严重可导致水电站水轮机组的振动作用。水轮机组振动的主要原因是其尾水管受到压力脉动，这同时也威胁混流式水轮机的稳定运行。当扶流翼的末端出现卡门涡流时，也将对水轮机的正常运行造成影响，其不良作用不仅造成转轮叶片的强迫性振动，尤其一旦其振动频率同叶片自振频率之间是整倍数关系时，将更加容易造成水轮机的转轮叶片出现裂缝，情况严重时将出现叶片断裂。再者，水力因素也会导致水轮机组的设计工况同实际运行情况不吻合，其结果是叶片进出口过程中出现脱流现象，其危害性大小随脱流产生的频率正比变化。

4.2水轮机的结构设计因素

就水轮机的设计方面而言，其水力模型被视为整个水电站必不可少的动力来源，其结构设计和工作质量对水轮机运行的稳定性同样会造成一定影响。下面将就其影响的主要方面进行介绍。

第一，过流部件的影响，如顶盖、底环刚度等。当过流部件受到流道中水流压力的影响时，会由于应力作用的产生和增强而导致其构件出现弹性形变。同时，随着水流的搅动，每个部件都会产生振动作用，尤其当水流的振动频率同部件自身属性中的固有频率相同时，更容易导致振动问题的出现，这不仅会造成较严重的噪声污染，同样也会威胁水轮机组的正常运转。

第二，水轮机的转轮加工工艺对其稳定性造成的影响。水轮机组加工以及制造过程中出现的转轮叶片型线不精准问题，或者由于其构件在焊接时出现了误差，将导致其叶片的进出口位置开口值不均匀，由此一来，水轮机组的发动机会由于转轮上出现横向力不平衡而导致产生振动问题。

第三，迷宫环加工问题。当迷宫环加工的椭圆度过大，将造成迷宫间隙不均匀，进而引发水轮机组振动问题的出现，其顶盖发生垂直跳动，水导摆度增大。

4.3水轮机的构建质量因素

安装质量对水轮机稳定性的影响也不可忽视。导轴承互不同心而导致的机组轴线不正，轴线不正同样会使转轮迷宫环间隙不均匀而引起水力振动。另外亦会使轴系上存在脉动轴向力及旋转横向力，引起轴承在相应方向的机械振动。此外，导叶开口值调整不均匀也是水轮机振动的根源之一。

5　提高水电站水轮机运行稳定性的措施

5.1提升水轮机的水力设计水平

水轮机的设计将决定其性能，保证水轮机的运行稳定性。现阶段的CFD（流体动力学分析技术）以及模型试验应用较为广泛。在设计过程中，要求相关技术人员具备深厚的专业知识，同时还能够从其自身的工作经历中吸取经验。设计人员应将工作经验用于实践，利用CFD流体动力学分析技术，模型对泄水锥、导叶和转轮叶片的翼型进行优化，以提高其水轮机尾水管的压力脉动控制的合理性。一般而言，高水头水电站的转速较小，且振幅偏小，但由于其比转速数值较高，因此其压力脉动的幅值也比较大。

5.2提高日常管理水平

对水轮机实行合理的日常管理，能够有效提升设备的运行效率，同时延长其使用寿命。具体而言，应做到以下几个方面。①尽可能保证水轮机的设备在规定范围内运作。水电站的各个系统中均包括调频调峰任务，在短时间内无法完全保证其运行完全控制在规定的范围之内，因此要想保证稳定性，就要将上述的小时数掌控在约5%范围内。②在设备的运作过程中应注意躲避振动区域。设备大约有两个振动区，因此通常的做法是在设备的开启及停运时刻以较快速率来运行，从而有效躲避振动区域，不仅如此，在平时的活动中也应尽可能地减少设备的开启和停止次数，在实际应用环境中，常会出现由于设备的开启或停止而导致的叶片裂缝问题。③设备运行的时候要对其展开必要的监测，明确设备的运作模式。

5.3加强水轮机产品的质量控制和设备维修

加强水轮机设计阶段的产品质量控制是提高其运行稳定性的重要方法。首先，应提升其通路部件的刚度，减少其由于受到水力作用而发生变形的可能；再者，应结合设计阶段的工作降低其发生质量问题的可能，如提高叶片部分设计的科学性，局部加强叶片根本。

水轮机使用过程中的维护工作依然十分重要。因为水轮机的叶片、转轮等构件会在使用过程中受到磨损和气蚀，因此有必要对其进行定期检查和日常维护。在补焊时应注重构件变形情况，并在完成后进行无损检测。

由于水电站具有环保特性，再加上我国自身水资源充足，水电站在我国具有较为广阔的发展前景，近年来，我国也建立了较多的水电站，相关研究也得到不断深入。通过对水轮机运行稳定性涉及的问题进行细致研究，进而不断提高其工作水平。

主要参考文献

［1］魏南，张锋.小型水轮机发电机组的振动分析与消除［J］.科技展望，2016（4）.

［2］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（3）.

［3］于雷.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究［J］.科技创新与应用，2015（13）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.16.042

TK733.1

A

1673-0194（2016）16-0064-02

2016-07-02