水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究

于雷

摘 要：水轮发电机是当前工业生产活动中非常关键的一种设备，目前它开始朝着大容量和高速化的方向发展。由于其在生产活动中发挥的作用非常显著，所以它的运作稳定性逐渐的被人们所关注。笔者讲述了常见的混流水轮机的稳定性相关的内容。

关键词：混流式水轮机；稳定性；影响因素；优化措施

由于经济高速发展，此时很多设备也开始呈现出高科技的特点，比如水轮机。当前它的发展方向是大尺寸高速率。由于它的尺寸和速度发生了改变，使得它的刚度变弱了。同时因为自动化水平得到了显著的提升，目前很多的电站都采取自动化的模式，不需要人来控制。所以就更要求水轮机有较高的稳定性。笔者讲述了非常常见的混流模式的水轮机，阐述了干扰它运作稳定的要素，而且结合具体情况，提出了几点提升稳定性的方法。

1 关于设备的稳定性和必要性的论述

我们在评定水轮机的优劣的时候，最常用的指标有三个，分别是稳定性，空化以及能量。后两者的判定非常的直观化，而且适当的挖掘能够明显的节省投资，提升利润。所以当前时期人们非常的重视这两个指标。而对于稳定性来讲，它主要是对设备的运作安全有影响，在之前的工作中人们并没有高度关注该项内容，同时加之其涉及的内容非常复杂，牵扯面宽，所以对其开展的研究工作较之于另外的两个要少一些。

通常我们在测定它的稳定性的时候会分析它运作时候的振动情况，也就是水力和机械两种振动。如果设备的不稳定性超过了一定的指标之后，激烈的振动就会导致零件出现细纹，有时候还会引发一些较为严重的问题，比如会导致厂房发生共振，进而影响到电站的安全。通过分析有关的数据我们得知，最近几年电厂开始纷纷使用的大型号水轮机，在运作的时候出现振动现象的几率较大。

其会导致叶片以及轴瓦等出现裂缝，进而威胁到电站。所以当前时期必须要认真的分析设备的稳定性。

2 干扰稳定性的要素简述

在众多的因素中，设计方面的原因是最为常见的也是影响最显著的。水轮机机组处于最优工况时，转轮出口水流应近法向流出，在这一情况下转轮出口水流不旋转。假如设备的运作不是处在最优的模式之中的话，出口处的水流就会在管内以环流的形式存在，此时就会导致机组发生振动。尾水管压力脉动是造成机组振动的重要源头，对混流式水轮机的安全稳定运行的危害也最大。除此之外，引起不稳定的水力因素，是机组运行偏离设计工况时候，转轮叶片进口和出口处出现的脱流，但此种脱流频率不固定，多数情况下表现为水流噪音，危害程度小于尾水管压力脉动和卡门涡列。

依托加工制造，水力模型被呈现为真机，作为水电站动力源。结构设计和加工制造对水轮机稳定性的影响因素主要有三个方面。一是过流部件诸如顶盖、底环刚度的影响。流道中的水压力作用在过流部件上，使其产生应力进而产生弹性变形，而水流的搅动又引起部件振动。当水流振动频率与部件固有频率接近时，产生共振和噪音。尤其是大尺寸低转速的机组，其本身固有频率较低，更易与水力低频接近。二是水轮机转轮加工工艺影响。若叶片型线加工不精确、因焊接误差导致的叶片进出口开口值不均匀均，均会使水流在转轮上产生横向不平衡力，引起机组振动。三是加工时椭圆度大，引起迷宫间隙不均匀而导致顶盖垂直跳动，水导出摆度增大。

安装质量对水轮机稳定性的影响也不可忽视。其中之一是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。

3 优化水轮机稳定性措施探讨

3.1 完善设计，提升水准

优秀的设计是确保稳定性的前提。要想提升设备的稳定性，设计工作者就必须要切实的提升自身的专业水平，创造优秀的设计项目。当前我们国内和国外的很多区域使用的水力开发方式大体上是一致的，应用最为广泛的是计算流体动力学分析技术（CFD）和模型试验。设计者应充分利用以往经验，通过CFD和模型试验，对流道尤其是导叶翼型、转轮叶片翼型及泄水锥进行优化，避免卡门涡列发生，减轻尾水管中心偏心涡带，将尾水管压力脉动幅值控制在合理范围。如何合理给定尾水管压力脉动幅值范围，目前业界内尚无统一标准。从一般规律来看，高水头电站由于比转速低，压力脉动幅值相对较小，而低水头电站比转速高，压力脉动幅值相对大点。

3.2 强化品质，提升维护能力

要想提升稳定性还有一个非常显著的方法就是做好设计以及生产工作。第一，提升零件的刚度，降低它们在水应力下发生变形的几率。第二，因为设备的转轮是其最为关键的零件，和稳定性的关联非常密切。所以在设计的时候要考虑在低负荷时水流涡带频率与转轮固有频率、尾水管固有频发生共振的可能性，让它们避开共振区域。同时还应该保证叶片过渡区域设计合理。在生产转轮的时候要切实的按照相关的工艺来进行。最好是使用不锈钢材料。经由软件进行适当的造型处理，掌控好叶片的尺寸，确保形状正确。在对其进行粗加工之后，要使用精确性较高的设备对其测试，减少由于叶片叶型和转轮重量偏差引起的水力和机械不平衡从而产生附加的交变应力。

除了上文讲到的内容之外，我们还要做好设备的维护工作，它同样能够保证设备的品质，增加使用时间。设备的导叶以及转轮等会因为气蚀而发生磨损，当严重到一定的程度之后，就要在现场适当的修整处理。当前使用最多的处理方法是补焊。在补焊的时候要认真的监测防止其发生变形，在处理之后要对其无损探伤而且要磨光处理，保证型线和样板保持一致。

3.3 做好日常管理工作，确保设备的运行稳定

只有在平时开展好了管理工作，注意细节，才能够切实的提升设备的效率，增加使用时间。具体的来说，第一，尽量的确保设备在规定的范围中运作。因为水电站在系统中均有调频调峰任务，短时间内在保证运行范围小时数之外运行的小时数很难避免，要想保证稳定性，就要将上述的小时数掌控在百分之五之内。第二，在运作的时候要躲避震动区域。一般来说设备有大约两个的振动区，在设备的开启和停运的时候要以较快的速率来运行，此举是为了躲避振动区。同时在平时的活动中要尽量的降低设备开启和停止的次数。设备在开启和停止的时候，其出力和转动速度等都会发生改变，由于它的运行不稳定所以会干扰到机组的运作。在实际的工作中常会发生因为开启或是停止设备而导致叶片出现裂缝的问题。第三，设备运作的时候要对其展开必要的监测，明确设备的运作模式。

4 结束语

我们国家的水资源非常富足，最近几年一大批水电站出现在大江南北。不论是当前的生产工艺亦或是管理能力都得到了非常明显的提升。在作者看来，必须从多角度来分析，切实的提升水轮机的稳定性，将这个指标融入到机组的设计以及生产过程之中，只有这样才能够提升电站的效益。

参考文献

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