水輪機穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化措施研究

于雷

摘 要：水輪發(fā)電機是當前工業(yè)生產(chǎn)活動中非常關(guān)鍵的一種設(shè)備，目前它開始朝著大容量和高速化的方向發(fā)展。由于其在生產(chǎn)活動中發(fā)揮的作用非常顯著，所以它的運作穩(wěn)定性逐漸的被人們所關(guān)注。筆者講述了常見的混流水輪機的穩(wěn)定性相關(guān)的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機；穩(wěn)定性；影響因素；優(yōu)化措施

由于經(jīng)濟高速發(fā)展，此時很多設(shè)備也開始呈現(xiàn)出高科技的特點，比如水輪機。當前它的發(fā)展方向是大尺寸高速率。由于它的尺寸和速度發(fā)生了改變，使得它的剛度變?nèi)趿恕Ｍ瑫r因為自動化水平得到了顯著的提升，目前很多的電站都采取自動化的模式，不需要人來控制。所以就更要求水輪機有較高的穩(wěn)定性。筆者講述了非常常見的混流模式的水輪機，闡述了干擾它運作穩(wěn)定的要素，而且結(jié)合具體情況，提出了幾點提升穩(wěn)定性的方法。

1 關(guān)于設(shè)備的穩(wěn)定性和必要性的論述

我們在評定水輪機的優(yōu)劣的時候，最常用的指標有三個，分別是穩(wěn)定性，空化以及能量。后兩者的判定非常的直觀化，而且適當?shù)耐诰蚰軌蛎黠@的節(jié)省投資，提升利潤。所以當前時期人們非常的重視這兩個指標。而對于穩(wěn)定性來講，它主要是對設(shè)備的運作安全有影響，在之前的工作中人們并沒有高度關(guān)注該項內(nèi)容，同時加之其涉及的內(nèi)容非常復(fù)雜，牽扯面寬，所以對其開展的研究工作較之于另外的兩個要少一些。

通常我們在測定它的穩(wěn)定性的時候會分析它運作時候的振動情況，也就是水力和機械兩種振動。如果設(shè)備的不穩(wěn)定性超過了一定的指標之后，激烈的振動就會導(dǎo)致零件出現(xiàn)細紋，有時候還會引發(fā)一些較為嚴重的問題，比如會導(dǎo)致廠房發(fā)生共振，進而影響到電站的安全。通過分析有關(guān)的數(shù)據(jù)我們得知，最近幾年電廠開始紛紛使用的大型號水輪機，在運作的時候出現(xiàn)振動現(xiàn)象的幾率較大。

其會導(dǎo)致葉片以及軸瓦等出現(xiàn)裂縫，進而威脅到電站。所以當前時期必須要認真的分析設(shè)備的穩(wěn)定性。

2 干擾穩(wěn)定性的要素簡述

在眾多的因素中，設(shè)計方面的原因是最為常見的也是影響最顯著的。水輪機機組處于最優(yōu)工況時，轉(zhuǎn)輪出口水流應(yīng)近法向流出，在這一情況下轉(zhuǎn)輪出口水流不旋轉(zhuǎn)。假如設(shè)備的運作不是處在最優(yōu)的模式之中的話，出口處的水流就會在管內(nèi)以環(huán)流的形式存在，此時就會導(dǎo)致機組發(fā)生振動。尾水管壓力脈動是造成機組振動的重要源頭，對混流式水輪機的安全穩(wěn)定運行的危害也最大。除此之外，引起不穩(wěn)定的水力因素，是機組運行偏離設(shè)計工況時候，轉(zhuǎn)輪葉片進口和出口處出現(xiàn)的脫流，但此種脫流頻率不固定，多數(shù)情況下表現(xiàn)為水流噪音，危害程度小于尾水管壓力脈動和卡門渦列。

依托加工制造，水力模型被呈現(xiàn)為真機，作為水電站動力源。結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造對水輪機穩(wěn)定性的影響因素主要有三個方面。一是過流部件諸如頂蓋、底環(huán)剛度的影響。流道中的水壓力作用在過流部件上，使其產(chǎn)生應(yīng)力進而產(chǎn)生彈性變形，而水流的攪動又引起部件振動。當水流振動頻率與部件固有頻率接近時，產(chǎn)生共振和噪音。尤其是大尺寸低轉(zhuǎn)速的機組，其本身固有頻率較低，更易與水力低頻接近。二是水輪機轉(zhuǎn)輪加工工藝影響。若葉片型線加工不精確、因焊接誤差導(dǎo)致的葉片進出口開口值不均勻均，均會使水流在轉(zhuǎn)輪上產(chǎn)生橫向不平衡力，引起機組振動。三是加工時橢圓度大，引起迷宮間隙不均勻而導(dǎo)致頂蓋垂直跳動，水導(dǎo)出擺度增大。

安裝質(zhì)量對水輪機穩(wěn)定性的影響也不可忽視。其中之一是導(dǎo)軸承互不同心而導(dǎo)致的機組軸線不正，軸線不正同樣會使轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙不均勻而引起水力振動，另外亦會使軸系上存在脈動軸向力及旋轉(zhuǎn)橫向力，引起軸承在相應(yīng)方向的機械振動。

3 優(yōu)化水輪機穩(wěn)定性措施探討

3.1 完善設(shè)計，提升水準

優(yōu)秀的設(shè)計是確保穩(wěn)定性的前提。要想提升設(shè)備的穩(wěn)定性，設(shè)計工作者就必須要切實的提升自身的專業(yè)水平，創(chuàng)造優(yōu)秀的設(shè)計項目。當前我們國內(nèi)和國外的很多區(qū)域使用的水力開發(fā)方式大體上是一致的，應(yīng)用最為廣泛的是計算流體動力學分析技術(shù)（CFD）和模型試驗。設(shè)計者應(yīng)充分利用以往經(jīng)驗，通過CFD和模型試驗，對流道尤其是導(dǎo)葉翼型、轉(zhuǎn)輪葉片翼型及泄水錐進行優(yōu)化，避免卡門渦列發(fā)生，減輕尾水管中心偏心渦帶，將尾水管壓力脈動幅值控制在合理范圍。如何合理給定尾水管壓力脈動幅值范圍，目前業(yè)界內(nèi)尚無統(tǒng)一標準。從一般規(guī)律來看，高水頭電站由于比轉(zhuǎn)速低，壓力脈動幅值相對較小，而低水頭電站比轉(zhuǎn)速高，壓力脈動幅值相對大點。

3.2 強化品質(zhì)，提升維護能力

要想提升穩(wěn)定性還有一個非常顯著的方法就是做好設(shè)計以及生產(chǎn)工作。第一，提升零件的剛度，降低它們在水應(yīng)力下發(fā)生變形的幾率。第二，因為設(shè)備的轉(zhuǎn)輪是其最為關(guān)鍵的零件，和穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)非常密切。所以在設(shè)計的時候要考慮在低負荷時水流渦帶頻率與轉(zhuǎn)輪固有頻率、尾水管固有頻發(fā)生共振的可能性，讓它們避開共振區(qū)域。同時還應(yīng)該保證葉片過渡區(qū)域設(shè)計合理。在生產(chǎn)轉(zhuǎn)輪的時候要切實的按照相關(guān)的工藝來進行。最好是使用不銹鋼材料。經(jīng)由軟件進行適當?shù)脑煨吞幚恚瓶睾萌~片的尺寸，確保形狀正確。在對其進行粗加工之后，要使用精確性較高的設(shè)備對其測試，減少由于葉片葉型和轉(zhuǎn)輪重量偏差引起的水力和機械不平衡從而產(chǎn)生附加的交變應(yīng)力。

除了上文講到的內(nèi)容之外，我們還要做好設(shè)備的維護工作，它同樣能夠保證設(shè)備的品質(zhì)，增加使用時間。設(shè)備的導(dǎo)葉以及轉(zhuǎn)輪等會因為氣蝕而發(fā)生磨損，當嚴重到一定的程度之后，就要在現(xiàn)場適當?shù)男拚幚怼．斍笆褂米疃嗟奶幚矸椒ㄊ茄a焊。在補焊的時候要認真的監(jiān)測防止其發(fā)生變形，在處理之后要對其無損探傷而且要磨光處理，保證型線和樣板保持一致。

3.3 做好日常管理工作，確保設(shè)備的運行穩(wěn)定

只有在平時開展好了管理工作，注意細節(jié)，才能夠切實的提升設(shè)備的效率，增加使用時間。具體的來說，第一，盡量的確保設(shè)備在規(guī)定的范圍中運作。因為水電站在系統(tǒng)中均有調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)，短時間內(nèi)在保證運行范圍小時數(shù)之外運行的小時數(shù)很難避免，要想保證穩(wěn)定性，就要將上述的小時數(shù)掌控在百分之五之內(nèi)。第二，在運作的時候要躲避震動區(qū)域。一般來說設(shè)備有大約兩個的振動區(qū)，在設(shè)備的開啟和停運的時候要以較快的速率來運行，此舉是為了躲避振動區(qū)。同時在平時的活動中要盡量的降低設(shè)備開啟和停止的次數(shù)。設(shè)備在開啟和停止的時候，其出力和轉(zhuǎn)動速度等都會發(fā)生改變，由于它的運行不穩(wěn)定所以會干擾到機組的運作。在實際的工作中常會發(fā)生因為開啟或是停止設(shè)備而導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂縫的問題。第三，設(shè)備運作的時候要對其展開必要的監(jiān)測，明確設(shè)備的運作模式。

4 結(jié)束語

我們國家的水資源非常富足，最近幾年一大批水電站出現(xiàn)在大江南北。不論是當前的生產(chǎn)工藝亦或是管理能力都得到了非常明顯的提升。在作者看來，必須從多角度來分析，切實的提升水輪機的穩(wěn)定性，將這個指標融入到機組的設(shè)計以及生產(chǎn)過程之中，只有這樣才能夠提升電站的效益。

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