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前言

對(duì)于我國(guó)大部分的水電站來(lái)講，混流式水輪發(fā)電機(jī)是各水電站的重要設(shè)備，混流式水輪機(jī)以其簡(jiǎn)單、高效、制造工藝成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)成為各水電站低成本、高效益穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。混流式發(fā)電機(jī)以其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著水電站機(jī)組的主導(dǎo)位置，但混流式水輪機(jī)還存著自身無(wú)法克服的弱點(diǎn)。混流式水輪機(jī)機(jī)組的振動(dòng)和葉片的裂紋已成為威脅機(jī)組安全的重要隱患，嚴(yán)重阻礙了水電站的經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。所以對(duì)混流式水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行研究已刻不容緩。

1 影響混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性的主要原因分析

1.1 水力方面的原因

水輪發(fā)電機(jī)組由于水力因素引起振動(dòng)主要有以下幾種情況。

一是水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的振動(dòng)。當(dāng)水輪機(jī)處于空載、低水頭、小負(fù)荷、高水頭、超負(fù)荷大流量的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，除了承受流體的壓力載荷之外，還承受了壓力脈動(dòng)和水力擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)載荷的影響。

二是尾水管內(nèi)的空腔渦帶產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)。由于混流式水輪機(jī)是固定葉片式的水力機(jī)械，當(dāng)水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪出口水流有一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓周分速度，使轉(zhuǎn)輪下方靠近尾水管軸線的區(qū)域出現(xiàn)較大的真空，當(dāng)真空達(dá)到一定數(shù)值后便產(chǎn)生空腔氣蝕形成渦帶，渦帶是螺旋形繞尾水管軸線不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)，并對(duì)尾水管產(chǎn)生相當(dāng)大的破壞作用。

三是水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分間隙不均產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)。由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分間隙不均使轉(zhuǎn)輪中心偏離機(jī)組中心，轉(zhuǎn)輪圓周各處固定和旋轉(zhuǎn)迷宮環(huán)間隙隨著轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)不斷變化，間隙內(nèi)水壓也相應(yīng)變化，沿轉(zhuǎn)輪圓周對(duì)水壓進(jìn)行積分，就有一作用在轉(zhuǎn)輪上的橫向水壓力的合力，該合力總是迫使轉(zhuǎn)輪中心進(jìn)一步偏離機(jī)組中心，加劇振動(dòng)。

四是渦列引起的振動(dòng)。當(dāng)水流繞流葉片，由出口邊流出時(shí)，便會(huì)在出口邊處產(chǎn)生渦列，從葉片的正面和背面交替出現(xiàn)，形成對(duì)葉片交替的沖擊。當(dāng)葉片自振頻率與沖擊頻率相同，便產(chǎn)生共振。

五是水力不平衡引起的壓力脈動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱時(shí)，出現(xiàn)不平衡的橫向力，于是造成轉(zhuǎn)輪振動(dòng)。

1.2 轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)制造方面的原因

一是葉片和上冠、下環(huán)的焊接部位，由于采用的是“T”型焊接方式，是空間幾何形狀突變的位置為應(yīng)力集中區(qū)域，也是疲勞強(qiáng)度最低的部位。

二是轉(zhuǎn)輪葉片和上冠和下環(huán)比較，平面尺寸較大而橫截面尺寸相對(duì)較??；與上冠、下環(huán)焊接成轉(zhuǎn)輪后剛度最小，在運(yùn)行時(shí)承受交變負(fù)荷時(shí)容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

三是葉片出水邊相對(duì)進(jìn)水邊薄，強(qiáng)度差，在交變負(fù)荷作用下最易發(fā)生裂紋。

四是在轉(zhuǎn)輪焊接過(guò)程中由于焊接工藝和熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩?，產(chǎn)生夾渣、氣孔、應(yīng)力集中等缺陷，在交變負(fù)荷作用下將降低疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

1.3 水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的原因

水輪機(jī)在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻的作用，作為電網(wǎng)能源的主要?jiǎng)恿?lái)源，水輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的不間斷運(yùn)行是勢(shì)所難免的，因此我國(guó)大部分混流式水輪機(jī)裂紋的產(chǎn)生都是由于疲勞運(yùn)轉(zhuǎn)的原因，在不間斷的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，會(huì)有交變動(dòng)態(tài)載荷和壓力脈動(dòng)的強(qiáng)大作用，這種情況下，混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪就會(huì)處于疲勞狀態(tài)，如此情況循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)加大裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。

2 提高水輪機(jī)穩(wěn)定性的幾點(diǎn)建議

2.1 合理選擇水輪機(jī)Hmax/Hmin的變化范圍

混流式水輪機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要保證水頭處有一個(gè)較為穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)間，這個(gè)區(qū)間可以在一定程度上減小振動(dòng)和裂紋，這二處危害減弱了，水輪機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性就能得到很好的體現(xiàn)。所以在設(shè)計(jì)混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪時(shí)考慮葉片折水力負(fù)荷，這種固定式的葉片式的水力機(jī)械在設(shè)計(jì)時(shí)水頭變幅不宜過(guò)大。有文獻(xiàn)建議，水輪機(jī)最大水頭和設(shè)計(jì)水頭的比值應(yīng)控制在1.2以下，最大水頭與最小水頭的比值應(yīng)控制在1.5以內(nèi)。

2.2 確保水力設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性

一是合理選取水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速。為了保證水輪機(jī)的穩(wěn)定性，所以在選取水輪機(jī)時(shí)要注意水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速，要控制水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速不能過(guò)高，以使對(duì)水輪機(jī)的強(qiáng)度造成影響，同時(shí)也會(huì)減弱水輪機(jī)的磨損度，使穩(wěn)定性難以保障。當(dāng)水輪機(jī)穩(wěn)定性指標(biāo)不能滿足時(shí)，應(yīng)采用較低的比轉(zhuǎn)速，并選擇較低的導(dǎo)葉相對(duì)高度bo，減小單位流量Q'1。

二是降低尾水管壓力脈動(dòng)值，控制葉道渦的發(fā)生。葉道渦從發(fā)生到發(fā)展是有一個(gè)過(guò)程的，在轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)時(shí)就應(yīng)注意，盡量把葉道渦發(fā)生線排除在運(yùn)行范圍之外。尾水管壓力脈動(dòng)值應(yīng)按不同水頭段、不同負(fù)荷段分別提出要求。

三是根據(jù)電站特點(diǎn)，正確設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪葉型。采用扭轉(zhuǎn)葉片或采用大進(jìn)口直徑與小出口直徑的水力設(shè)計(jì)，可使水輪機(jī)有較寬的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)；采用長(zhǎng)短葉片，也是適應(yīng)負(fù)荷變化的有效手段；而葉片采用Donalson式的出水邊形狀，在保證葉片剛強(qiáng)度的前提下可使卡門渦激振能量最小。

2.3 優(yōu)化水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一是提高轉(zhuǎn)輪的剛、強(qiáng)度，降低葉片線型應(yīng)力和局部最大應(yīng)力。水輪機(jī)應(yīng)有足夠的剛、強(qiáng)度，葉片線型應(yīng)力應(yīng)控制在100～80MPa，局部最大應(yīng)力應(yīng)小于150MPa。葉片出水邊與上冠交接處屬于高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)適當(dāng)加大圓弧段直徑，以改善應(yīng)力狀況。

二是計(jì)算出水邊卡門渦頻率與各部件固有頻率，使其不產(chǎn)生共振。

三是適當(dāng)控制葉片數(shù)量。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量與穩(wěn)定性之間雖然沒(méi)有直接的明確關(guān)系，但在一定條件下其影響也是明顯的，如頻率、葉片應(yīng)力等。

四是優(yōu)化轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)和泄水錐。轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)不采用熱套或鑲套，應(yīng)直接在上冠和下環(huán)母體上車出來(lái)，泄水錐與上冠設(shè)計(jì)成一體，這樣轉(zhuǎn)輪的整體性更好。

2.4 提高水輪機(jī)制造質(zhì)量

水輪機(jī)是電網(wǎng)運(yùn)行的保障，所以水輪機(jī)的質(zhì)量至關(guān)重要，良好的質(zhì)量對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行起著穩(wěn)定的作用，因此在水輪機(jī)制造過(guò)程中對(duì)各個(gè)部件及工藝都要進(jìn)行強(qiáng)化控制，保證出廠驗(yàn)收的手續(xù)，確保出廠的合格率。

結(jié)語(yǔ)

為了保證電能的供應(yīng)，現(xiàn)在電站的建設(shè)呈上升的趨勢(shì)，一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定的電站才能保證電能的供應(yīng)，保障人們用電的安全性，電站穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)是電站內(nèi)的主要設(shè)備的穩(wěn)定性。水輪機(jī)作為水電站的主要?jiǎng)恿?lái)源，其平穩(wěn)的運(yùn)行對(duì)電站的安全運(yùn)轉(zhuǎn)起著重要的作用，為了保證水輪機(jī)的穩(wěn)定性，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和葉片無(wú)論從設(shè)計(jì)、制造還是運(yùn)行過(guò)程中，都是提高水輪機(jī)穩(wěn)定性的重中之重。所以在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中要保證水輪機(jī)的質(zhì)量，這樣才能保證水輪機(jī)符合電站的安全標(biāo)準(zhǔn)。

[1]馬震岳.水電站機(jī)組及廠房振動(dòng)的研究與治理[M].北京：中國(guó)水利電力出版社.2004.

[2]白林主.小型水電站發(fā)電設(shè)備手冊(cè)[M].水利水電出版社.1987.