淺析大型混流式水輪機(jī)水力的穩(wěn)定性

謝紅軍

（長春市石頭口門水庫管理局，吉林 九臺 130524）

我國水資源較豐富，水資源在使用過程中無污染，同時(shí)水資源成本較低，只占不到五分之一的煤電成本，所以水資源清潔的可再生成本低的特點(diǎn)使得水資源成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。利用水資源進(jìn)行生產(chǎn)，不僅可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還能節(jié)省如媒一類的不可再生資源，因此水資源是國家大力開發(fā)和鼓勵(lì)利用的資源。

1 影響大型混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的因素

1.1 水輪機(jī)組的振動(dòng)對機(jī)組水力穩(wěn)定性的影響

近年來，無論是我國生產(chǎn)的還是從國外進(jìn)口的大型混流式水輪機(jī)，在使用過程中都出現(xiàn)了不同程度的振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片出現(xiàn)裂痕，尾水管壁裂開，嚴(yán)重的還導(dǎo)致廠房與鄰近建筑物的共振，加重水電站的安全隱患。大型水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性已經(jīng)受到業(yè)內(nèi)人士的重點(diǎn)關(guān)注，大型機(jī)組因?yàn)檎駝?dòng)問題頻出，威脅著水輪機(jī)組的整體運(yùn)行。水輪機(jī)組的振動(dòng)影響水力穩(wěn)定性屬于機(jī)械穩(wěn)定性的范疇，它包含的范圍較為廣闊。

1.2 水輪機(jī)止漏裝置中的壓力脈沖對機(jī)組水力穩(wěn)定性的影響

大型混流式水輪機(jī)的止漏裝置較一般的來說復(fù)雜一些，之間間隔的空間也比較小，止漏裝置前后形成較大的壓力差，一旦水輪機(jī)出現(xiàn)非常態(tài)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，在間隔的空間容易形成較大的壓力脈動(dòng)。如果止漏裝置的零件精確度沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，水輪機(jī)組在安裝時(shí)轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間不一致，以及轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的不平衡等因素，都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行過程中失去平衡，間隔的空間是隨著機(jī)組不斷旋轉(zhuǎn)而變化的，在水動(dòng)力的影響下，使得轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)回旋，最終使得整個(gè)水輪機(jī)組因?yàn)閯×业恼駝?dòng)失去平衡，機(jī)器停止運(yùn)行。

1.3 卡門渦以及脫流對水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的影響

卡門渦主要出現(xiàn)在水輪機(jī)葉片出水的部門，它只能是在葉片產(chǎn)生共振的情況下才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)形式往往是單純的噪音。目前，卡門渦的規(guī)律性特征已經(jīng)基本被掌握，在水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)階段就會(huì)被考慮其中，使得最終避免。另一個(gè)影響因素是脫流，一般情況下脫流發(fā)生在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)口或者出口的邊緣，因?yàn)槊摿餍纬傻膲毫γ}動(dòng)隨機(jī)的可能性比較大，即沒有規(guī)律的振幅變化，沒有固定的振動(dòng)頻率，一般只產(chǎn)生沒有規(guī)律性的流動(dòng)噪音，通常情況下也是在共振的情況中才被發(fā)覺。

1.4 轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)制造工藝尚存不足

隨著水電事業(yè)的發(fā)展，水輪機(jī)組的容量不斷增加，機(jī)組的尺寸不斷加大，但是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)工藝尚且不滿足要求。減低了機(jī)組的固有頻率，大型水輪機(jī)組更容易發(fā)生共振，影響水力的穩(wěn)定性，機(jī)組出現(xiàn)大幅度的共振，導(dǎo)致水輪機(jī)的葉片出現(xiàn)大部分的裂紋。裂紋極易出現(xiàn)的原因是因?yàn)槟壳按蟛块T葉片的焊接采用的是T型焊接，T型焊接的特點(diǎn)便是較難抵抗超強(qiáng)度的壓力。同時(shí)在轉(zhuǎn)輪焊接過程中，因?yàn)楹附庸に嚨牟煌晟埔约皼]有進(jìn)行應(yīng)有的熱處理，會(huì)出現(xiàn)氣孔，夾渣等問題，影響水力的穩(wěn)定性。

2 保證大型混流式水輪機(jī)水力的穩(wěn)定性的對策

2.1 加強(qiáng)水輪機(jī)避振運(yùn)行，保證水力的穩(wěn)定性

加強(qiáng)水輪機(jī)組的避振運(yùn)行是指在大流域的水電站群體中，為了使得水輪機(jī)組可以避免受到振動(dòng)區(qū)的影響。應(yīng)該統(tǒng)籌調(diào)度整個(gè)流域的水輪機(jī)組，不僅可以延長機(jī)組使用壽命，還可以保證水輪機(jī)水力的穩(wěn)定性，在發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)葉出現(xiàn)裂痕及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，加之實(shí)行了避振運(yùn)行，水輪機(jī)組的穩(wěn)定性在較大程度上得以改善。

2.2 控制水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)在大趨勢上是追求高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)。在上世紀(jì)八十年代，在大型混流式水輪機(jī)高比轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)中等頻率的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，將其稱之為高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)帶，它具有脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率成正比，根據(jù)不同的工況形成不同壓力脈動(dòng)。此種壓力脈動(dòng)隨時(shí)能夠感知到裝置空化系數(shù)和下游尾水的變化。在許多實(shí)驗(yàn)過程中，壓力脈動(dòng)突然間升到一個(gè)數(shù)值的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生于尾水管的肘水管處，但是這個(gè)現(xiàn)象只存在于實(shí)驗(yàn)過程中，在大型混流式水輪機(jī)真機(jī)上并未出現(xiàn)，而且其發(fā)生原理也不能詳細(xì)闡述，但是在低轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)中是沒有這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)的，因此，只是單純的追求高轉(zhuǎn)速以保證水力的穩(wěn)定性是非常不明智的選擇，在選取轉(zhuǎn)速的同時(shí)，要綜合考評水質(zhì)狀況，水頭的變動(dòng)幅度以及水輪機(jī)的負(fù)荷范圍等一系列條件因素的綜合。

2.3 對轉(zhuǎn)輪葉片出水部分進(jìn)行修復(fù)

許多國內(nèi)外的實(shí)際例子可以證明，對轉(zhuǎn)輪葉片出水部分進(jìn)行修復(fù)可以提高卡門渦的頻率和降低振動(dòng)。根據(jù)研究顯示，通過減小轉(zhuǎn)輪葉片的厚度以及改造出水邊的形狀，改變水流在邊界上轉(zhuǎn)輪葉片分離的位置，同時(shí)還要減小導(dǎo)致脫流漩渦的頻率和強(qiáng)度。通過各類方法修復(fù)轉(zhuǎn)輪葉片的出水部分，可以起到一定消除振動(dòng)的效果，防止因?yàn)楣缠Q引起的噪聲，很大程度上保證了大型混流式水輪機(jī)水力的穩(wěn)定性。

2.4 增強(qiáng)水輪機(jī)組振動(dòng)的消除度，保證水力的穩(wěn)定性

水輪機(jī)尾水管低頻渦帶引起的振動(dòng)最直接的消除方法便是將空氣注入尾水管的渦帶區(qū)，不僅可以保證渦帶的擴(kuò)張強(qiáng)度，還能使得水中滲入空氣增加水的彈性，達(dá)到減輕和消除振動(dòng)的結(jié)果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得，對水輪機(jī)大軸軸心進(jìn)行補(bǔ)氣消除振動(dòng)的效果最為明顯，同樣在水輪機(jī)活動(dòng)葉片和轉(zhuǎn)輪進(jìn)水一邊對空氣進(jìn)行壓縮，在降低葉道渦產(chǎn)生的高頻率的壓力脈動(dòng)有很好的效果，兩者之間的距離越大，進(jìn)行補(bǔ)氣后的產(chǎn)生的效果越明顯。

2.5 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)工藝的提升

大型混流式水輪機(jī)水力的穩(wěn)定性的內(nèi)在保證是提升轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)工藝，主要從以下方面著手改變。通過數(shù)值模擬技術(shù)對轉(zhuǎn)輪、尾水管以及渦殼等部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，CFD優(yōu)化技術(shù)也可以運(yùn)用其中。轉(zhuǎn)輪的選材應(yīng)該著重注意水頭的變動(dòng)幅度是否足夠大，穩(wěn)定性是否良好以及是否具有廣泛的高效區(qū)的的負(fù)傾角葉片。同時(shí)，在不會(huì)影響轉(zhuǎn)輪水能量的情況下，注意轉(zhuǎn)輪葉片的焊接頭是否采取了大圓弧的形狀，因?yàn)閳A弧形狀可以減少因空間形狀變化導(dǎo)致的壓力集中的狀況發(fā)生，通過轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行一系列脫氧環(huán)節(jié)，保證轉(zhuǎn)輪的葉片質(zhì)量。以上制造工藝的提升都可以保證水力的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

混流式水輪機(jī)是我國應(yīng)用較早，使用范圍較廣，前景較為廣闊的機(jī)型，目前，隨著我國計(jì)算機(jī)科學(xué)不斷發(fā)展，各類大型混流式水輪機(jī)制造工藝的不斷提升，其水力的穩(wěn)定性方面必然會(huì)得到充分的保障。但是不得不承認(rèn)，在我國混流式水輪機(jī)制造工藝不斷提升的同時(shí)，水力穩(wěn)定性的研究依然是需要我國研究者堅(jiān)持攻克的一個(gè)難題，務(wù)必更加重視對它的研究。