浅析大型混流式水轮机水力的稳定性

谢红军

（长春市石头口门水库管理局，吉林 九台 130524）

我国水资源较丰富，水资源在使用过程中无污染，同时水资源成本较低，只占不到五分之一的煤电成本，所以水资源清洁的可再生成本低的特点使得水资源成为一个国家经济发展的重要物质基础。利用水资源进行生产，不仅可以保护生态环境，还能节省如媒一类的不可再生资源，因此水资源是国家大力开发和鼓励利用的资源。

1 影响大型混流式水轮机水力稳定性的因素

1.1 水轮机组的振动对机组水力稳定性的影响

近年来，无论是我国生产的还是从国外进口的大型混流式水轮机，在使用过程中都出现了不同程度的振动，进而导致水轮机转轮的叶片出现裂痕，尾水管壁裂开，严重的还导致厂房与邻近建筑物的共振，加重水电站的安全隐患。大型水轮机的水力稳定性已经受到业内人士的重点关注，大型机组因为振动问题频出，威胁着水轮机组的整体运行。水轮机组的振动影响水力稳定性属于机械稳定性的范畴，它包含的范围较为广阔。

1.2 水轮机止漏装置中的压力脉冲对机组水力稳定性的影响

大型混流式水轮机的止漏装置较一般的来说复杂一些，之间间隔的空间也比较小，止漏装置前后形成较大的压力差，一旦水轮机出现非常态的运动时，在间隔的空间容易形成较大的压力脉动。如果止漏装置的零件精确度没有达到标准，水轮机组在安装时转轮与转轮室之间不一致，以及转动过程中出现的不平衡等因素，都会导致运行过程中失去平衡，间隔的空间是随着机组不断旋转而变化的，在水动力的影响下，使得转轴出现回旋，最终使得整个水轮机组因为剧烈的振动失去平衡，机器停止运行。

1.3 卡门涡以及脱流对水轮机水力稳定性的影响

卡门涡主要出现在水轮机叶片出水的部门，它只能是在叶片产生共振的情况下才会被发现，表现形式往往是单纯的噪音。目前，卡门涡的规律性特征已经基本被掌握，在水轮机组的设计阶段就会被考虑其中，使得最终避免。另一个影响因素是脱流，一般情况下脱流发生在水轮机转轮叶片的进口或者出口的边缘，因为脱流形成的压力脉动随机的可能性比较大，即没有规律的振幅变化，没有固定的振动频率，一般只产生没有规律性的流动噪音，通常情况下也是在共振的情况中才被发觉。

1.4 转轮设计制造工艺尚存不足

随着水电事业的发展，水轮机组的容量不断增加，机组的尺寸不断加大，但是转轮设计工艺尚且不满足要求。减低了机组的固有频率，大型水轮机组更容易发生共振，影响水力的稳定性，机组出现大幅度的共振，导致水轮机的叶片出现大部分的裂纹。裂纹极易出现的原因是因为目前大部门叶片的焊接采用的是T型焊接，T型焊接的特点便是较难抵抗超强度的压力。同时在转轮焊接过程中，因为焊接工艺的不完善以及没有进行应有的热处理，会出现气孔，夹渣等问题，影响水力的稳定性。

2 保证大型混流式水轮机水力的稳定性的对策

2.1 加强水轮机避振运行，保证水力的稳定性

加强水轮机组的避振运行是指在大流域的水电站群体中，为了使得水轮机组可以避免受到振动区的影响。应该统筹调度整个流域的水轮机组，不仅可以延长机组使用寿命，还可以保证水轮机水力的稳定性，在发现转叶出现裂痕及时进行修补，加之实行了避振运行，水轮机组的稳定性在较大程度上得以改善。

2.2 控制水轮机组的转速

随着科学技术水平的不断发展，水轮机组转轮的设计在大趋势上是追求高比转速水轮机。在上世纪八十年代，在大型混流式水轮机高比转速实验时发现了一个中等频率的压力脉动现象，将其称之为高部分负荷压力脉动带，它具有脉动频率与转动频率成正比，根据不同的工况形成不同压力脉动。此种压力脉动随时能够感知到装置空化系数和下游尾水的变化。在许多实验过程中，压力脉动突然间升到一个数值的现象经常发生于尾水管的肘水管处，但是这个现象只存在于实验过程中，在大型混流式水轮机真机上并未出现，而且其发生原理也不能详细阐述，但是在低转速的水轮机中是没有这个现象出现的，因此，只是单纯的追求高转速以保证水力的稳定性是非常不明智的选择，在选取转速的同时，要综合考评水质状况，水头的变动幅度以及水轮机的负荷范围等一系列条件因素的综合。

2.3 对转轮叶片出水部分进行修复

许多国内外的实际例子可以证明，对转轮叶片出水部分进行修复可以提高卡门涡的频率和降低振动。根据研究显示，通过减小转轮叶片的厚度以及改造出水边的形状，改变水流在边界上转轮叶片分离的位置，同时还要减小导致脱流漩涡的频率和强度。通过各类方法修复转轮叶片的出水部分，可以起到一定消除振动的效果，防止因为共鸣引起的噪声，很大程度上保证了大型混流式水轮机水力的稳定性。

2.4 增强水轮机组振动的消除度，保证水力的稳定性

水轮机尾水管低频涡带引起的振动最直接的消除方法便是将空气注入尾水管的涡带区，不仅可以保证涡带的扩张强度，还能使得水中渗入空气增加水的弹性，达到减轻和消除振动的结果。根据经验可得，对水轮机大轴轴心进行补气消除振动的效果最为明显，同样在水轮机活动叶片和转轮进水一边对空气进行压缩，在降低叶道涡产生的高频率的压力脉动有很好的效果，两者之间的距离越大，进行补气后的产生的效果越明显。

2.5 水轮机转轮设计工艺的提升

大型混流式水轮机水力的稳定性的内在保证是提升转轮的设计工艺，主要从以下方面着手改变。通过数值模拟技术对转轮、尾水管以及涡壳等部件优化设计，CFD优化技术也可以运用其中。转轮的选材应该着重注意水头的变动幅度是否足够大，稳定性是否良好以及是否具有广泛的高效区的的负倾角叶片。同时，在不会影响转轮水能量的情况下，注意转轮叶片的焊接头是否采取了大圆弧的形状，因为圆弧形状可以减少因空间形状变化导致的压力集中的状况发生，通过转轮叶片进行一系列脱氧环节，保证转轮的叶片质量。以上制造工艺的提升都可以保证水力的稳定性。

3 结语

混流式水轮机是我国应用较早，使用范围较广，前景较为广阔的机型，目前，随着我国计算机科学不断发展，各类大型混流式水轮机制造工艺的不断提升，其水力的稳定性方面必然会得到充分的保障。但是不得不承认，在我国混流式水轮机制造工艺不断提升的同时，水力稳定性的研究依然是需要我国研究者坚持攻克的一个难题，务必更加重视对它的研究。