混流式水轮机的水力稳定性分析探讨

高健

（四川松林河流域开发有限公司,四川 石棉 625400）

我国的水资源非常丰富，而且也是电力生产的大国，因此我国不仅有数量庞大的火电厂，还有一些太阳能的发电站和风力的发电站等。因为我国的河流非常多，且河流所处的地形十分复杂，高度落差很大，进而在水力资源方面的潜能巨大。依靠水力发电，自然需要水轮机的帮助，水轮机情况的好坏，将会直接对水电站中水力开发的效率和质量产生影响。但就目前来看，由于人们在水轮机的水力稳定性方面的了解还过于浅显，进而导致水轮机在稳定性方面的问题愈发严重。本文就影响混流式的水轮机水力稳定性的因素进行分析，希望可以对症下药，并使水力不够稳定的情况得到缓解。

1 混流式水轮机的应用现状

混流式的水轮机可以被认为是目前应用最广泛的一类水轮机，此类水轮机的水头适用范围是十几米至几百米，但在进行实际应用时，水头大多为二十至七百米之间，因此这类水轮机适用于流量的变幅和水头都比较大的电站，其具有重量轻、尺寸小、结构紧凑、效率高以及操作和维护比较方便等优势，是目前开发的水力资源中，水头比较高的是一类优良机型。目前许多正在在建以及待建的巨型机组内都是用到了混流式的水轮机，由于龙滩、拉西瓦以及三峡等大型的水电站建设的成功，且大批千瓦级混流式的机组的投产成功，使得在我国大型混流式水轮机方面的技术被越来越广泛的应用，并且在相关的技术上也有非常大的进步。近些年以来，由于引进和吸收了国外的先进技术，使得在高水头的混流式的水轮机技术方面也有非常大的成果。对这些年混流式水轮机的应用情况进行分析，可以发现未来这方面技术的发展将朝着稳定运行的范围更宽、容量更大以及水头更高的方面迈进。

2 影响混流式水轮机水力稳定性的因素

（1）机组运行的过程。我们知道不同程度的振动，在混流式水轮机机组的运行过程当中广泛存在，且水轮机的不同程度振动都可能对其正常的工作产生一定影响。当振动太轻时，可能会导致水轮机的机组在运行时不够稳定；当振动太重时，可能会破坏机组以及厂房。另外，振动产生的影响是多方面的，比如水轮机的转轮叶片部分被损坏，水管部分有裂缝产生等。一旦振动过大，甚至还可能会对堤坝以及水库的安全产生威胁，特别是对于那些大型的水电站，由振动所引起的危害会更大。

（2）水力因素。在非设计的工况下，由于运行而导致的水轮机的振动。水轮机机组的振动可以被认为是目前影响混流式的水轮机水力稳定性的非常重要的原因。尤其是近些年以来，水电站的快速发展促进了大型混流式水轮机的普遍应用，进而振动问题的出现，也就屡见不鲜了。不管水轮机的类型怎样，是国内或者是进口的，都可能会在某种程度上出现振动方面的问题。因此振动这一现象，俨然已在国际水电事业的进步发展中成为了一个难题。

由尾水管内空腔涡带引起的压力脉动。在特定负荷的情况下，混流式的水轮机在尾水管中会形成一些旋转流动，进而形成尾水管的涡带。因此，随着尾水管中空腔涡带在水轮机机组中引起压力脉动，机组也会出现振动问题。

由不平衡的脱流和卡门涡引起的压力脉动。在水轮叶片中，出水的部分通常是出现卡门涡的常见方位，卡门涡在水流现象中属于非常不稳定的一种。即使是工况最优的情况下，这一现象也没有办法被避免，且除非是有共振产生的情况之下，不然这一现象也难以被我们发现。 出现卡门涡这一现象时，通常会随之有非常大的噪音。人们对于卡门涡这一现象的认识还是相比较早的，且由于这些年的研究，人们已经熟练掌握了产生卡门涡现象的规律，而解决卡门涡现象的主要方法就是对水边形状进行修改，因此目前卡门涡现象出现得已经比较少了。另一个因素就是脱流，脱流现象主要发生于转轮叶片进出处的边缘部分。脱流现象也往往难以被人们发现，主要是因为这一现象的出现具有非常大的随机性，且其振幅也无规律可循，但脱流现象会对水轮机水力的稳定性产生影响。

（3）转轮的设计与制造。水轮机中的小空隙及止漏装置。装置一般较为复杂，在混流式的水轮机中属于普遍存在的一个特点，特别在制造以及装备一些大型的混流式水轮机时，其中的止漏装置非常复杂，而止漏装置过于复杂之间，相互间的空隙过小，往往会造成在止漏装置间的压力差非常大。这样一旦在水轮机进行异态的运行时，就可能会有非常大的压力脉冲出现，进而影响水轮机机组的水力稳定性。

混流式水轮机零部件的焊接水平及加工水平无法达到要求。混流式的水轮机的科技含量通常比较高，对进行设计、制造与加工时的相关工艺方面的要求也就非常严格，且随着目前技术水平在不断提高，制造水轮机的水平也实现较为长足的进步。但是通常来说，水轮机的零部件都比较复杂，对其技术水平方面的要求特别高，因此常常会使得设计和制造的零部件依旧无法满足在实际生产当中的需求。此外由于容量一直在不断扩大，进而对加工工艺和设计制造方面的要求就越来越高，而一旦水轮机的固有频率被影响，就很有可能会引起共振现象。 从另一方面来说，当焊接技术没有那么精密和细致时，就会造成机组的焊接强度不够，进而无法抵抗高强度的压力，也会因此影响水轮机机组的水力稳定性。

3 提高混流式水轮机水力稳定性的措施

（1）对转轮的选择要因地适宜。一般来说，不同的水电站，其实际的情况也会不一样，这就需要我们能够因地制宜，以当地的实际情况为基础，进而使转轮的选择更加合理。不同种类的转轮可以对应不同情况下的需求，比如对于叶片较多的转轮来说，其叶片中的应力稍小，因而常用于中水头的水电站中；对于叶片长短的转轮来说，其常用于高水头的水电站中。由此可见，需要从电站的实际情况出发，因地制宜地选择转轮，这样就能够显著提升水力稳定性。

（2）提高设计与制造方面的工艺技术。在水轮机的运行过程中，转轮发挥着非常重要的作用。要想提高水轮机的设计与制造方面的工艺，可以从以下几点出发：第一，提高转轮的设计工艺。利用cdf技术和数值模拟技术对转轮的设计进行优化，对水头的稳定性、变幅等情况进行综合考虑后，再对转轮的材料进行选择，并尽量去选择较为优质的材料。第二对结构的设计进行优化。结构在影响水轮机的水力稳定性中，也是非常重要的一个因素，在对结构进行设计时，需要充分考虑进行避振措施。第三，提高焊接工艺，进而保证焊接的质量。

（3）选择合理的转速比。水轮机的转速比在影响机组振动中，也是非常重要的因素之一。为了能够满足水电站的实际需求，采用转速比较高的水轮机转轮，已经成为目前比较流行的趋势。而随着目前科技的不断进步，水轮机的转轮转速有了非常显著的提升。但主要注意的是，过于片面的追求高转速会对水轮机的水力稳定性产生非常不利的影响。由此可见，也需要适当的去降低转速比，进而使机组的稳定性提高。此外，对转速进行选择时，还需要考虑水质情况、负荷范围及水头变化的幅度等因素，因为这些因素会对水力稳定性具有非常显著的影响。

（4）修复叶轮出水的部分。水轮机的水力稳定性被多重因素所制约，转轮叶片的厚度和形状就是其中影响比较大的一个因素。根据实验的研究结果显示，当改变转轮叶片的形状和厚度时，不仅能够使卡门涡的频率被有效提高，也可以在某种程度上使振动降低， 其中的原理是将脱流涡的频率和强度减小，并改变了水流在转轮叶片中进行分离的位置。

4 结语

随着我国科技水平的不断提高，混流式的水电站也变得越来越多，应用的范围也越来越广。但目前来说，混流式水轮机的水力稳定性问题，依旧是一个世界性的难题，本文主要浅析了影响水轮机稳定性的原因，也提出一些建议。我们要始终坚信，只要愿意在设计创新、技术创新、制造精益以及工艺创新等方面多花一些功夫，这一难题终究会被解开，我国在水电事业方面的发展也必将迈入一个新的阶段。