水轮机稳定性影响因素分析与优化策略

黄商

摘 要：随着我国水轮机设计大容量和大尺寸趋势日益明显，水轮机组的转速也逐步提升。在实际的使用过程中，如何保证水轮机组的安全稳定运行，已经成为了现阶段人们重点关注的一项重要问题。基于此，文章对水轮机稳定性影响因素与优化策略进行了探讨与分析。

关键词：水轮机；稳定性；设计；运行；策略

中图分类号：TK733 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0131-02

Abstract： With the increasing trend of large capacity and large size in the design of hydraulic turbines in China， the speed of turbine sets has been gradually increased. In the actual use process， how to ensure the safe and stable operation of the turbine unit has become an important issue of concern at this stage. Based on this， this paper discusses and analyzes the factors affecting the stability of hydraulic turbine and the optimization strategy.

Keywords： turbine； stability； design； operation； strategy

随着近年来我国现代化建设水平的不断提升，我国的水电站事业也得到了飞速的发展。水轮机作为水电站运行过程中较为重要组成部分，近年来其发展也呈现出向大容量、大尺寸发展。尽管大容量以及大尺寸水轮机可以在较大程度上提升水电站的运行效率，但是由于其刚度弱化加之水电站智能化水平的提升[1]，使得水轮机安全稳定运行的越来越受到人们的关注。现阶段我国较为常用的水轮机类型为混流式水轮机，如何在这类水轮机设计以及生产过程中提升其运行的稳定性，对于保证我国水电站的安全运行有着非常深远的影响。

1 水轮机安全运行稳定性概述

对于水轮机安全运行稳定性而言，其主要指的就是水轮机组实际的运行过程中所表现出來的机械振动以及水力振动。一般来说，水轮机安全运行稳定性较差，其主要表现机械振动以及水力振动频率较高且振幅较大；水轮机安全运行稳定性较好，其主要表现为机械振动以及水利振动频率较低且振幅较小。在实际的水轮机运行过程中，如果其安全运行稳定性较差，其必然会影响到水轮机安全运行，久而久之，水轮机设备表面也会出现诸多裂纹，严重者会对整个水电站的安全运行造成不良影响[2]。尽管现阶段我国的水轮机设计生产以及制造水平已经得到了较大的提升，但是在水电站水轮机运行过程中，依然会出现振动问题，使得我国水电站安全性以及经济性并未得到真正的保障。只有加强对于影响水轮机安全稳定运行因素的分析，才能从根本上保证水轮机运行稳定性的发挥。在现阶段我国水电站发展过程中，其中作为常用的水轮机类型为混流式水轮机。由于其水头范围较宽以及结构相对简单，因此，在实际的水电站运行过程中，混流式水轮机的应用[3]，可以在较大程度上提升水电站的工作效率。

2 影响水轮机运行稳定性的主要因素

2.1 水力因素

水力因素作为主要的水轮机组水力稳定性因素，尽管其对水轮机组设计工作产生的影响并不是特别大，但是在实际的运行过程中，也往往会对混流式水轮机安全稳定运行产生非常严重的影响。一般来说，在水轮机组正常运行过程中，其转轮出口会持续流出水且转轮不会发生旋转。而当水轮机组处于非最优运行状态时，由于水轮机机尾水管受到作用力，转轮出口处的水流大多呈环状；当水轮机组的低水头部分有40%-70%处于负荷状态时，其转轮出口处水流呈正向旋转并形成相应的带状漩涡，一旦形成带状旋涡，必然会对水轮机组的振动作用产生影响，进而对混流式水轮机的安全稳定运行造成严重的影响。在实际的水轮机运行过程中，水力因素对于其影响主要表现在以下几个方面：首先，扶流翼末端出现卡门涡流，水轮机转轮叶片由于受其影响，将会出现强迫性的振动，并且一旦振动频率与叶片振动频率呈正态分布时，将会对转轮叶片造成严重的损害，轻者转轮叶片出现裂缝，重者转轮叶片将会直接断裂[4]；其次，受水力因素的影响，水轮机组的设计工况往往会与实际运行工况不匹配，这样一来就是造成叶片在实际的运行过程中，出现脱流现象，必然会对水轮机组的正常运行造成严重的影响。

2.2 设计因素

水轮机设计因素作为影响水轮机组安全稳定运行的主要因素，在实际的设计过程中，一旦结构设计以及工作质量出现问题，必然会对水轮机的安全稳定运行造成一定的影响。笔者研究发现，在设计因素中，其中几个因素对于水轮机组的安全稳定运行产生着非常直接影响。

首先是过流部件的影响。所谓的过流部件，指的就是水轮机顶盖、底环刚度等等[5]。在实际的运行过程中，过流部件由于受流道中水流压力的影响，常常导致相关构件出现弹性形变；加之水流搅动下每个部件都会发生振动，当振动频率与部件中自身频率相同时，其振动问题更加明显，不但会对设备的正常运行产生影响，而且在运行过程中还会产生较大的噪声污染。

其次，水轮机转轮的生产工艺。在实际的水轮机转轮加工生产过程中，由于生产或者加工工艺设计不合理或者是加工过程中操作不规范，往往会造成转轮叶片型线不精确或者是焊接误差出现，一旦这类产品应用到实际地水轮机组中，必然会产生振动问题。

最后是迷宫环加工问题。在实际的水轮机组生产加工过程中，一旦迷宫环加工的椭圆度过大，迷宫间的间隙必然会变大，这样一来，极易引起水轮机组振动问题出现，严重影响其安全稳定运行。

2.3 水轮机构件质量因素

除了上述的两组因素之外，水轮机构件以及安装质量因素也是影响水轮机构件安全运行的重要因素。在实际的水轮机构件安装过程中，如果导轴承不符合现阶段相关标准的要求，一旦将其应用到水轮机组中，势必会对其安全运行产生影响；其次，在安装过程中，导轴承安装互不同心或者是轴线不正，也会对水轮机组的安全运行产生严重的影响。除此之外，导叶开口值调整设定不均匀，也会产生水轮机振动，进而影响水轮机的安全运行。

3 提升水轮机安全稳定运行的具体措施分析

3.1 提升水轮机的水力设计水平

要想保证现阶段我国水电站水轮机运行过程中的安全稳定运行，其中非常重要的一项工作就是做好水轮机水力设计水平的整体提升工作。首先，应保证参与水轮机设计的相关人员其专业知识以及职业素养整体水平，并将一些专业知识扎实的人才吸收到实际的设计工作中来，为其设计提供良好的人才保障；其次随着现阶段CFD以及模型试验在机械设计中的应用越来越广泛[5]，相关设计人员应不断加强自身的学习以及实践水平，将现代新型技术应用的具体的设计过程中当中，通过CFD技术以及模型试验技术的应用，对导叶、转轮叶以及泄水锥等相关构件进行合理的优化，并以此为基础不断提升水轮机机尾脉动控制的合理性水平。

3.2 提高水轮机日常管理水平

科学合理的日常管理，不仅可以有效地提升水轮机组相关设备的运行效率，还可以在一定程度上延长设备的使用寿命。因此，要想实现水电站水轮机运行稳定性整体水平的提升，做好水轮机日常管理工作也是其中非常重要的一项工作。在这一过程中，水电站相关管理人员应首先从最大限度上保证水轮机组相关设备在规定范围内进行工作，由于水电站中各个组成系统都有调频以及调峰任务，因此，在实际的运行过程中，应将调频以及调峰的小時数控制在一定的范围之内，这一范围以5%为宜；其次，运行过程中尽量躲避振动区域，一般来说，水轮机组大约有两个振动区，因此，在实际的运行过程中，相关管理人员可以通过较快的速率来进行设备开启和停运，这样可以有效躲避振动区域[6]，此外，在实际的运行过程中，还应尽可能的减少对于设备的开启以及停运频率，以此来保证有效的防止振动的发生；最后，相关设备管理人员还应对设备的运行模式进行必要的监测，以此为基础来及时发现并处理运行过程中设备出现的各类问题，保证设备的安全稳定运行。

3.3 做好水轮机产品的质量控制以及设备维护工作

做好水轮机产品的质量控制以及设备维护工作也是保证水轮机组稳定安全运行的重要途径之一。对于水轮机组产品质量控制工作而言，在实际的工作过程中，相关质量管理人员应首先保障相关通路部件的刚度，以此为基础防止其由于受水力作用而发生变形；其次是做好设计阶段的质量控制工作，从源头上降低质量问题发生率。而对于设备维护工作而言，其主要是对水轮机叶片、转轮以及相关易磨损构件进行维护以及检修，并在补焊的过程中注意构件变形，待完成相应的无损检测后[7]，才能真正投入使用。

综上所述，随着近年来我国现代化建设水平的不断提升，我国水电事业也得到长足的发展。基于这种背景，水轮机设计以及生产也呈现出大容量、大尺寸的发展趋势。只有做好水轮机设计以及生产工作，才能从根本上不断提升水轮机运行的稳定性。并且随着我国相关技术的不断成熟，做好水轮机的安全运行工作，对于促进我国水电站事业的长期有效发展也有着非常积极的意义。

参考文献：

[1]林道远，林建兴.水轮机运行稳定性的研究与展望[J].山东工业技术，2018（01）：35.

[2]荣红，蔡晶，于红岩，等.水轮机调速器的设计优化和稳定性评价[J].水电厂自动化，2017，38（04）：47-51.

[3]葛彬.分析混流式水轮机水力稳定性的改进[J].低碳世界，2017（29）：75-76.

[4]宋通林.水轮机稳定性影响因素分析与优化策略[J].中国管理信息化，2016，19（16）：64-65.

[5]罗育辉.大型混流式水轮机稳定性分析[J].山东工业技术，2016（10）：136.

[6]覃琳.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究[J].通讯世界，2015（24）：293-294.

[7]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）：95.