混流式水輪機穩定運行的主要水力因素分析

陳瑋

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，水電事業也得到了很大的進步，混流式水輪機在水電站的應用，其穩定性直接影響著水電站的經濟效益。隨著混流式水輪機機組容量、尺寸與轉速越來越大，其內部結構也越來越復雜，混流式水輪機的穩定性問題也日益突出。該文針對型號為HL100-LJ-100混流式水輪機穩定性在水力方面存在的問題進行分析，并提出有效對策。

關鍵詞：混流式水輪機 穩定性 水電事業

中圖分類號：TK733.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0069-01

穩定性問題是現代水輪機正常運行的重要指標之一，其不穩定性現象是其本身的固有特性。由于早期水輪機的容量小，穩定性問題不是很明顯。但隨著科學技術的發展，大型混流式水輪機的生產，在不同程度上存在著水力方面的不穩定性問題也越來越明顯，給電站造成很大的損失。因此，本文通過對天臺縣龍溪水力發電站混流式水輪機的穩定性進行研究，對提高混流式水輪機在水力方面的穩定性是十分重要的[1]。

1 混流式水輪機穩定運行的水力因素

1.1 混流式水輪機處于低水頭大流量運行工況

混流式水輪機處于低水頭大流量運行工況時，水輪機為了滿足容量的需求，其流量必然增大，使水輪機的葉片受到水流的負沖角繞流，致使葉片頭部受壓力側造成脫流現象，使水流分離成片狀渦串，通過水輪機的上冠、下環與葉片組成的流道流出。在這種情況下，由于水輪機負沖角小，而水輪機葉片將無法形成空化脫流現象，就算發生此種情況，對水輪機也不會造成大的威脅，通常采用水輪機尾水管補氣方式，就可以產生明顯的效果。

1.2 混流式水輪機處于高水頭小開度運行工況

混流式水輪機處于高水頭小開度運行工況下，由于轉輪出口環量過大，容易造成水輪機在運行過程中出現局部真空現象，造成水輪機周圍出現復雜旋渦運動，隨著旋渦振擺幅度增大，導致水輪機發生低壓力脈動，而旋渦由于受到水輪機尾水管壁的作用，會形成一個上、下反復幅動的激振源，使水輪機的上冠、下環與葉片組成的流道不斷受到壓力，破壞水輪機的尾水管壁，使水輪機在運行中出現不穩與噪音現象，及不利于水輪機的正常運行[2]。

1.3 設計時水輪機最大運行水頭與額定水頭比值過大

根據HL100-LJ-100混流式水輪機額定水頭234.0 m可以得出，當HL100-LJ-100混流式水輪機的最大運行水頭大于或者等于273.0 m時，混流式水輪機處于不穩定區域運行中，這是由于水輪機水頭高于273.0 m時，遠離最優設計工況，這時水輪機轉輪進口水流沖角大，導葉開度小，造成水輪機葉片頭部形成局部真空或者側脫流空化現象，而由于水流受力不均勻，導致其流動不均，容易產生二次流動，增加渦流的不穩定性，嚴重時會破壞水輪機的葉片頭部。

1.4 混流式水輪機處于負荷變化過大工況

當混流式水輪機處于負荷變化過大工況，水輪機水頭向高水頭方向移動，水輪機葉片正面受到水流的沖擊力的作用，當水頭沖擊力大于設計水頭的沖力1.1倍時，容易造成水輪機葉片背面出現脫流現象，因此水輪機在水力方面的穩定性主要取決于水輪機在高水頭運行時的穩定狀況。當水輪機水頭向低水頭方向移動時，水輪機葉片正面所受的水流沖擊力小，在水流量大的區域內容易導致水輪機葉片正面進口處形成較強的水輪機尾水管渦流與脫流空化渦流現象，在水輪機額定輸出功率控制范圍外。水輪機水頭向高水頭方向移動時，其葉片所受水流沖力主要是由于水輪機額定水頭低于水輪機水頭，導致水輪機導葉開度變小，水輪機處于偏離最優工況運行，發生水流與水輪機葉片撞擊現象。因此水輪機處于高水頭段容易發生不穩定運行現象[3]。

2 提高混流式水輪機穩定性措施

混流式水輪機的穩定性問題會使水電站受到不同程度的影響，導致水輪機無法正常運行，影響水電站的經濟效益，因此采取一定的措施，提高混流式水輪機運行的穩定性是非常重要的。

2.1 提高制造安裝檢修工藝水平

所謂提高混流式水輪機的制造安裝檢修工藝，就是要求混流式水輪機生產商盡可能的提高混流式水輪機的加工精度，提高混流式水輪機的水平度、同心度等，還要提高水輪機主要機械部件的強度，例如主軸、座環等。混流式水輪機的檢修則需要檢修單位對水輪機在運行過程中存在的問題及時進行維修，做到精修、細修，把握好水輪機檢修質量要求[4]。

2.2 選擇合理的運行方式

作為HL100-LJ-100混流式水輪機的管理者應當根據天臺縣龍溪水力發電站的環境與HL100-LJ-100混流式水輪機運行數據，對水輪機的長期運行狀態進行分析，確保水輪機在穩定的工況下運行，并根據水電站的環境制定出合理的運行方式，例如水輪機在平水期、檢修期的運行方式等，保證水輪機在各種情況下達到合理的運行方式。

2.3 加強設備的整治和改造

在混流式水輪機生產運行期間，生產運行單位應做好水輪機設備的整治與改造工作，將水輪機存在的小問題的根源扼殺在搖籃中，避免水輪機故障的擴大化。對于水輪機存在的大一些的問題應積極主動地進行檢修處理，對于處理不了的問題，應及時向上級管理部門、生產商、設計方進行溝通協商，尋找解決方式，確保水輪機的整治與改造工作的合理性，從而提高水輪機的運行穩定性，避免影響水電站的經濟效益。

3 結語

混流式水輪機的穩定性問題直接影響著水電站的經濟效益，因此為了確保混流式水輪機的穩定運行，就必須從混流式水輪機制造安裝檢修工藝水平、運行方式與設備的整治和改造等方面進行全方位的提高，使混流式水輪機在安全的運行規范標準下運行，進而提高水電站的經濟效益[5]。

參考文獻

[1] 黃漢云，朱桂林.混流式水輪機穩定運行的主要水力因素淺析[J].水電站機電技術，2010，126（5）：115-117.

[2] 吳次光，青長庚.混流式輪機電站運行穩定性與裝機容量選擇的探討[C]//大中型混流式水輪機運行穩定性專輯，2009.

[3] 韋彩新，韓鳳琴，孫建平.大型混流式水輪機小負荷工況振動研究[J].中華理工大學學報，2009，26（10）：73-75.

[4] 方源，湯湘軍.成家寨水輪機運行狀態對水輪機選型設計的啟示[J].水力發電學報，2009，95（1）：33-34.

[5] 伍曉芳，閉貴福，梁玉福.大型混流式水輪機尾水管振動數值模擬及應用[J].廣西電力研究，2009，68（5）：57-59.endprint