大型混流式水輪機穩定性分析

羅育輝（廣東鴻源機電股份有限公司，廣東　興寧　514500）

大型混流式水輪機穩定性分析

羅育輝
（廣東鴻源機電股份有限公司，廣東興寧514500）

隨著社會的進步和發展，對于電力需求度也在不斷擴大，混流式的水輪機的出現逐漸裝箱后高轉速的大容量的方向的發展、單機的容量在不斷的擴大、轉速的提高和高水量的需求，對于混流式水輪機的要求也在不斷的提高，同型機組的水力設計的要求呈現高比轉速的發展趨勢，空化引起的對相渦流引轉式的問題逐漸得到了重視。

混流式水輪機；穩定性；流場；流動性

0　引言

混流式水輪機具有結構簡單，適用范圍廣、研究發展技術成熟的特點在大型水電站的應用上占據著主導的地位，但由于渦輪機組的水輪機是固定葉片結構的水力設施，設備運行時的穩定性和轉輪葉片的裂紋的產生是主要威脅水輪機安全運行的重點問題。

1　影響混流式水輪機內部穩定運行的因素

1.1水力因素

水輪發電機組的建設是由于水力在平面上引起的振動產生的，由于水輪機組在設計狀況下產生的震動；以及空腔內部的水輪機旋轉引發的渦輪帶來的壓力脈動：還有水輪機轉動部分的固定界面的間隙不均勻產生的壓力脈動。以及水里的不均勻產生的不平衡感脈動的情況。水輪機在工作時處于負荷性，由高水性滿負荷的運轉帶來的壓力承受值意外，還承受了相當于水力平面的振動和壓力脈動的負荷情況。雖然都能引發傳統意義上的作用機理是不同可以進行分析鑒別。

水輪機在工作時會產生的脈動經過水流通的活動導致葉面的調整，葉片的出水口方向是固定的。在特地情況下的水管中，葉片前部的水流會產生脫流空轉現象。都是產生水利振動的因素。

由于混流情況的水輪機組是采用固定葉片的運作的水利設施，當到頁開度處于比較小流量的渦帶的開度的運轉下，會引發更大程度的震蕩，加劇流道中的壓力脈動使設備出現故障。

1.2轉輪制造技術

隨著機器機組的增加，機組尺寸的比例也得到了放大，設計制造方面所導致的機組設備剛度降低，使得固有的頻率下降，大型機組更容易誘發共振，由于機組的水利干擾設備更加的混沌而引發的機器效率下降。轉輪葉片所采用的技術是上冠和下部比較，平面的面積較大，橫截面尺寸相對較低，與轉輪接觸點較大，容易形成卡槽。運行時的產生的夾渣、氣孔等設計缺陷。長時間處在負荷狀態的話會造成機器磨損加劇降低機器使用壽命。

1.3在不穩定區域運轉

經相關數據表明，國內大部分發生裂紋的大型混流式渦輪轉輪的使用不當都是因為葉片的表面產生了裂紋，由于水輪發電機組的停止時間短的特點造成的，在電網中主要負責調度的方面，長時間的不正常運行即高速旋轉在備用狀態進行運行時，長時間處于壓力脈動的作用下的大大增加了轉輪出現裂紋的幾率。經研究表明，水輪機組在穩定區域和過度運行區域的壽命相差近乎20倍，通過相關的疲勞試驗可以看出，葉片上方的部分的磨損情況在禁止運行的區域和最優工時的狀況時，兩者相差200-300倍。

2　提高大型混流式水輪機穩定性的方法

2.1合理選擇水輪機的功率變化范圍

混流式水輪機是固定生產的新型的水利機械，轉輪的設計和外觀都在最大程度的確包水頭對于穩定區域的運行范圍，為了減少振動的裂隙和對于混流式水輪機的危害，要做到對于大型渦流式水輪機的增幅范圍不超過406.8MW，三峽水電廠的變幅也比較大，但采用了有力的措施提高了水輪機的穩定措施，目前在三峽水電廠的水輪機組的運行是非常穩定的，低水頭在最大負荷運轉下處于平穩的狀態，但還是需要經過高水頭的運行考察。所以，可以得出大水頭的比值和設計水頭的比值應該分別控制在1.5和1.2以下。

2.2合理選擇水輪機轉速

現階段水輪機組的設計和研究主要靠閑了高比轉速的水輪機上去。20世紀的80年代的渦流式水輪機的模型實驗中曾發現了一種具有大頻率特性的壓力脈動的，大部分高能量的負荷壓力的特點是頻率的轉換過于頻繁，大約在5倍以下的，流量的最佳工作時間為88%左右。個別情況下的壓力脈動的變化復制會高達凈水頭的30%，該壓力下的脈動對于裝置的空話系數和下游尾部的變化是十分靈敏的，在水輪機的研究過程中，尾部進水口的到頂部的尾部的管道處均會出現相應的壓力脈動過大的情況。還產生該情況的現象在國際上的研究幾乎為零，其發生的原理和過程不甚明顯。

單純的減小水輪機的尺寸順便降低轉葉和轉輪的比轉速是可取的，水輪機組的選擇應該遵從當地的水文情況以及水體的變化情況綜合分析數據的可調節范圍，機組臺的運行情況。

2.3統籌調度

大范圍流域的水電站群統籌管理工作主要是由大容量的發電機組構成，為了能夠使機組更好的避開震蕩區域的安全高效的運行，要對全流域內的大型水輪機組統一管理，即當低負荷的電網調度由120MW-250MW時，由大機組進行頭籌兼顧的調度，當低負荷運行小時由60MW的機組運行，這樣在不同情況下個各個機組的使都能安全的運行，大大的延長了機組的使用壽命。

2.4轉輪葉片的出水部位進行調整

卡門渦頻率計算公式可以通過減小轉輪葉片的出水部位的葉片厚度改善出水部分的形狀來改變水流層次的邊界以及從葉片上分離出來的位置，以期減少脫離漩渦時強度。出水邊的單邊小圓軸的過渡段落的進行的實驗證明，葉片較小的轉軸震動感也較小，水輪機組的出水邊的修改調整為30-40度的倒棱角型，都利用其較為強大的修型調整。

3　結束語

我國擁有的水能資源是十分豐富的，水能資源作為新型無污染的可再生資源在世界能源的應用領域中占據的比重逐年增大，雖然近年來我國水電業的發展速度明顯加快，但是與我國所擁有的水能資源相比，利用率還是較低，開發利用的潛力還是很大的。混流式水輪機是我國最早投入使用的也是目前應用前景最廣闊的機型，我國要加大對于混流式水輪機組的開發和應用，提高對于下一代水輪機的安全運行的范圍，提高水輪機的抗疲勞性能將是未來技術的發展的主要目標。

［1］張雙全.大型混流式水輪機水力穩定性研究［D］.華中科技大學，2008.

［2］蘇文濤.大型混流式水輪機模型內部流動穩定性研究［D］.哈爾濱工業大學，2014.

［3］唐澍，潘羅平.大型混流式水輪機的應用現狀與技術發展［J］.水利水電技術，2009（08）：108-112.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.121