水輪機穩定性影響因素分析與優化措施研究

于雷

摘 要：水輪發電機是當前工業生產活動中非常關鍵的一種設備，目前它開始朝著大容量和高速化的方向發展。由于其在生產活動中發揮的作用非常顯著，所以它的運作穩定性逐漸的被人們所關注。筆者講述了常見的混流水輪機的穩定性相關的內容。

關鍵詞：混流式水輪機；穩定性；影響因素；優化措施

由于經濟高速發展，此時很多設備也開始呈現出高科技的特點，比如水輪機。當前它的發展方向是大尺寸高速率。由于它的尺寸和速度發生了改變，使得它的剛度變弱了。同時因為自動化水平得到了顯著的提升，目前很多的電站都采取自動化的模式，不需要人來控制。所以就更要求水輪機有較高的穩定性。筆者講述了非常常見的混流模式的水輪機，闡述了干擾它運作穩定的要素，而且結合具體情況，提出了幾點提升穩定性的方法。

1 關于設備的穩定性和必要性的論述

我們在評定水輪機的優劣的時候，最常用的指標有三個，分別是穩定性，空化以及能量。后兩者的判定非常的直觀化，而且適當的挖掘能夠明顯的節省投資，提升利潤。所以當前時期人們非常的重視這兩個指標。而對于穩定性來講，它主要是對設備的運作安全有影響，在之前的工作中人們并沒有高度關注該項內容，同時加之其涉及的內容非常復雜，牽扯面寬，所以對其開展的研究工作較之于另外的兩個要少一些。

通常我們在測定它的穩定性的時候會分析它運作時候的振動情況，也就是水力和機械兩種振動。如果設備的不穩定性超過了一定的指標之后，激烈的振動就會導致零件出現細紋，有時候還會引發一些較為嚴重的問題，比如會導致廠房發生共振，進而影響到電站的安全。通過分析有關的數據我們得知，最近幾年電廠開始紛紛使用的大型號水輪機，在運作的時候出現振動現象的幾率較大。

其會導致葉片以及軸瓦等出現裂縫，進而威脅到電站。所以當前時期必須要認真的分析設備的穩定性。

2 干擾穩定性的要素簡述

在眾多的因素中，設計方面的原因是最為常見的也是影響最顯著的。水輪機機組處于最優工況時，轉輪出口水流應近法向流出，在這一情況下轉輪出口水流不旋轉。假如設備的運作不是處在最優的模式之中的話，出口處的水流就會在管內以環流的形式存在，此時就會導致機組發生振動。尾水管壓力脈動是造成機組振動的重要源頭，對混流式水輪機的安全穩定運行的危害也最大。除此之外，引起不穩定的水力因素，是機組運行偏離設計工況時候，轉輪葉片進口和出口處出現的脫流，但此種脫流頻率不固定，多數情況下表現為水流噪音，危害程度小于尾水管壓力脈動和卡門渦列。

依托加工制造，水力模型被呈現為真機，作為水電站動力源。結構設計和加工制造對水輪機穩定性的影響因素主要有三個方面。一是過流部件諸如頂蓋、底環剛度的影響。流道中的水壓力作用在過流部件上，使其產生應力進而產生彈性變形，而水流的攪動又引起部件振動。當水流振動頻率與部件固有頻率接近時，產生共振和噪音。尤其是大尺寸低轉速的機組，其本身固有頻率較低，更易與水力低頻接近。二是水輪機轉輪加工工藝影響。若葉片型線加工不精確、因焊接誤差導致的葉片進出口開口值不均勻均，均會使水流在轉輪上產生橫向不平衡力，引起機組振動。三是加工時橢圓度大，引起迷宮間隙不均勻而導致頂蓋垂直跳動，水導出擺度增大。

安裝質量對水輪機穩定性的影響也不可忽視。其中之一是導軸承互不同心而導致的機組軸線不正，軸線不正同樣會使轉輪迷宮環間隙不均勻而引起水力振動，另外亦會使軸系上存在脈動軸向力及旋轉橫向力，引起軸承在相應方向的機械振動。

3 優化水輪機穩定性措施探討

3.1 完善設計，提升水準

優秀的設計是確保穩定性的前提。要想提升設備的穩定性，設計工作者就必須要切實的提升自身的專業水平，創造優秀的設計項目。當前我們國內和國外的很多區域使用的水力開發方式大體上是一致的，應用最為廣泛的是計算流體動力學分析技術（CFD）和模型試驗。設計者應充分利用以往經驗，通過CFD和模型試驗，對流道尤其是導葉翼型、轉輪葉片翼型及泄水錐進行優化，避免卡門渦列發生，減輕尾水管中心偏心渦帶，將尾水管壓力脈動幅值控制在合理范圍。如何合理給定尾水管壓力脈動幅值范圍，目前業界內尚無統一標準。從一般規律來看，高水頭電站由于比轉速低，壓力脈動幅值相對較小，而低水頭電站比轉速高，壓力脈動幅值相對大點。

3.2 強化品質，提升維護能力

要想提升穩定性還有一個非常顯著的方法就是做好設計以及生產工作。第一，提升零件的剛度，降低它們在水應力下發生變形的幾率。第二，因為設備的轉輪是其最為關鍵的零件，和穩定性的關聯非常密切。所以在設計的時候要考慮在低負荷時水流渦帶頻率與轉輪固有頻率、尾水管固有頻發生共振的可能性，讓它們避開共振區域。同時還應該保證葉片過渡區域設計合理。在生產轉輪的時候要切實的按照相關的工藝來進行。最好是使用不銹鋼材料。經由軟件進行適當的造型處理，掌控好葉片的尺寸，確保形狀正確。在對其進行粗加工之后，要使用精確性較高的設備對其測試，減少由于葉片葉型和轉輪重量偏差引起的水力和機械不平衡從而產生附加的交變應力。

除了上文講到的內容之外，我們還要做好設備的維護工作，它同樣能夠保證設備的品質，增加使用時間。設備的導葉以及轉輪等會因為氣蝕而發生磨損，當嚴重到一定的程度之后，就要在現場適當的修整處理。當前使用最多的處理方法是補焊。在補焊的時候要認真的監測防止其發生變形，在處理之后要對其無損探傷而且要磨光處理，保證型線和樣板保持一致。

3.3 做好日常管理工作，確保設備的運行穩定

只有在平時開展好了管理工作，注意細節，才能夠切實的提升設備的效率，增加使用時間。具體的來說，第一，盡量的確保設備在規定的范圍中運作。因為水電站在系統中均有調頻調峰任務，短時間內在保證運行范圍小時數之外運行的小時數很難避免，要想保證穩定性，就要將上述的小時數掌控在百分之五之內。第二，在運作的時候要躲避震動區域。一般來說設備有大約兩個的振動區，在設備的開啟和停運的時候要以較快的速率來運行，此舉是為了躲避振動區。同時在平時的活動中要盡量的降低設備開啟和停止的次數。設備在開啟和停止的時候，其出力和轉動速度等都會發生改變，由于它的運行不穩定所以會干擾到機組的運作。在實際的工作中常會發生因為開啟或是停止設備而導致葉片出現裂縫的問題。第三，設備運作的時候要對其展開必要的監測，明確設備的運作模式。

4 結束語

我們國家的水資源非常富足，最近幾年一大批水電站出現在大江南北。不論是當前的生產工藝亦或是管理能力都得到了非常明顯的提升。在作者看來，必須從多角度來分析，切實的提升水輪機的穩定性，將這個指標融入到機組的設計以及生產過程之中，只有這樣才能夠提升電站的效益。

參考文獻

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