影响水轮机稳定性的因素及维护对策

　　新时期，水轮机设计方面，不断向着大尺寸以及大容量的方向发展，水轮机电机组的转速逐渐增高，而且水轮机的相对刚度逐渐正在不断减弱。 随着科学技术的不断发展，各行各业自动化水平越来越高，水电站逐渐开始实现“无人值班，少人值守”的运行管理方式。 因此，业内开始逐渐重视水轮机运行的稳定性，并对此提出了更高要求。 本文主要以混流式水轮机为例，详细分析水轮机稳定性的影响因素，并详细探究提高水轮机稳定性的有效策略。

　　目前，在实际工作中，由于混流式水轮机的结构形势比较简单而且工作效率比较高，因此已经逐渐得到了广泛应用。 目前，在我国众多水电站中，金沙江向家坝水电站的单机容量最大，其水轮机额定功率已经高达 812MW,水轮机的转轮直径约有 9.75m, 该水电站同时也是世界上已有水轮机中单机容量最大的。

　　1 水轮机稳定性及必要性

　　对于水轮机质量进行评定，需要关注三个指标，分别为稳定性、能量以及空化。 其中，能量和空化指标的评判比较直观，而且通过充分挖掘和利用， 能够在很大程度上减少水电站成本投入，增加发电收益，因此，业内对于对能量和空化指标更加关注，而且相关研究也比较深入。 水轮机的稳定运行与水轮机组的稳定运行是密切相关的， 以往人们对于水轮机并不重视对其稳定性的研究，但水轮机稳定性问题却比较复杂、涉及面广，因此，对水轮机稳定性的研究不够深入。

　　水轮机运行的稳定性主要体现为在水轮机组的运行中所体现出的水力振动和机械振动。 当水轮机在运行状况下，其稳定性较差，则会产生比较幅度较大、频率较高的振动，而此类强烈的振动会严重影响水轮机的正常运行，随着时间的推移，水轮机表面会逐渐产生很多裂纹甚至会导致水轮机厂房以及其他水工建筑发生振动作用， 最终会威胁到整个水电站的正常运行。 根据相关调查研究可指，目前，我国大批中型水轮机的已经投入生产， 并且已经有很多水电站的水轮机逐渐暴露出振动问题，严重程度各不相同，而且随着振动问题的发展，水轮机的叶片也会逐渐产生裂纹，另外，轴瓦部分也会产生裂纹，随着问题严重程度不断加深，最终会影响到水电站运行的安全性和经济性。 因此，探究影响水电站水轮机稳定性的各种因素至关重要。

　　2 水轮机稳定性主要影响因素

　　在实际工作中， 很多因素都会影响混流式水轮机的稳定性，对此，本文将从水轮机的水力设计、结构设计、构件加工制造等多个方面进行详细的研究探讨。在整个水轮机组的设计工作中， 水力方面的设计影响力较小。 当水轮机组在正常工况下运转时，机组转轮出口水流会不断流出，而转轮出口水流不会发生旋转。 当水轮机不处于最优工作状态下， 转轮出口的水流会在水轮机尾水管中逐渐形成环状水流， 当水轮机在低水头的 40~70%部分负荷工况下，水轮机转轮出口水流会正向旋转，并且逐渐形成带状涡旋，甚至会引发水轮机组产生振动作用。 在水轮机运行工作中，造成水轮机组振动的最为主要的因素就是尾水管的压力脉动，而且这一因素会对混流式水轮机的正常运行构成威胁。 另外，如果绕流翼型尾部产生卡门涡列，也会影响水轮机的正常运行，因为岂会导致水轮机的转轮叶片产生强迫性的振动， 当这种强迫性振动的频率与转轮叶片的自振频率形成倍数关系时，就会导致水轮机转轮叶片产生裂缝，甚至会导致叶片断裂。 除此以外，还有一个因素也会影响水轮机的稳定运行，即水力因素，如果水轮机机组运行状况与水轮机设计工况出现偏差，则在叶片的进出口就会发生脱流现象， 由于脱流现象的频率不稳定，因此其危害程度也有所不同。

　　水轮机的水力模型是整个水电站的动力来源。 科学合理的水轮机组结构设计与加工制造能够有效提高水轮机运行的稳定性， 而影响其结构合计与制造的因素主要有三点如下所示：①过流部件，当流道内的水流压力作用于过流构件上，则会产生应力作用， 随着应力的增加， 会导致构件发生弹性变形，另外，当水流发生搅动作用时，各个构件也会产生振动作用。 当水流的振动频率与部件的固有频率相同时，还会产生共振作用，不仅会产生严重的噪音污染，而且还会影响水轮机组的正常运行。 特别是对于尺寸较大、转速较低的水轮机组，其本身固有频率与水力低频十分接近， 因此很容易受到共振影响。 ②加工工艺的影响，在水轮机组的加工制造工作中，如果叶片加工不精准，或者在构件的焊接过程中出现误差，则叶片的进出口开口值就会比较不均匀， 最终会导致水轮机组发动机产生振动问题。 ③在迷宫环加工时椭圆度大，也会导致机组发生振动问题。

　　另外， 水轮机组的安装质量同样也会影响水轮机组的稳定运行。 在水轮机组的各个构件中，如果其导轴承互不同心，或者轴线不正，则引起水力振动，同时还会引起轴承构件发生振动。 还需要注意的是，如果转轮机平衡性较差，则会产生叶开口值调整不均匀问题。

　　3 优化水轮机稳定性措施

　　（1）不断优化水轮机水力设计，在水轮机设计中提高其性能设计，保障水轮机的稳定运行。 所以，在实际设计工作中，设计人员不仅需要具备扎实的专业知识， 而且还要结合自身的工作经验，努力优化设计。目前，计算流体动力学分析技术（CFD）和模型试验应用较为广泛。 在设计阶段，设计者必须结合工作经验，在工作中使用 CFD 和模型试验，不断优化导叶翼型、转轮叶片翼型以及泄水锥，尽量合理控制尾水管压力脉动幅值。 目前，全世界尚没有统一尾水管压力脉动幅值范围标准。 通常情况下，高水头电站转速较低、振动幅度较小，但是低水头电站比转速高，压力脉动幅值相对较大。

　　（2）加强水轮机产品质量控制，提高检修维护水平。 在水轮机设计阶段，加强对水轮机产品质量控制，也是提高其运行稳定性的重要方式。 对此， 首先应该提高水轮机通流部件刚度，尽量减少其在水力作用下发生变形。 除此以外，设计者在设计阶段还应该充分考虑尾水管固有频发生共振的可能性以及在低负荷时水流涡带频率与转轮固有频率。 另外，还应该科学设计叶片过渡部分，对于叶片根部的局部加强，应该采用有限元分析法，减少应力集中。 在转轮制造阶段，应该采用严谨的制作工艺，并且在材料上采用不锈钢。 最后，还应该采用三维软件设计转轮造型，控制叶片厚度。 转轮加工完成后，要进行平衡试验，尽量避免重量偏差，提高平衡性。

　　为了更好的保障水轮机质量，必须加强对其后期维护。 在水轮机的使用过程中，其叶片、转轮以及其他构件会逐渐发生气蚀作用以及磨蚀作用，因此，需要定期对水轮机进行检测和修复工作。 目前，在水轮机的检修工作中，最常见的修复方法为补焊修复。 在具体的补焊工作中，应该时刻关注变形构件的变形情况，补焊工作完成后，还要进行无损检测，并且将表面打磨光滑。

　　（3）加强水电站日常管理工作，有利于保障水轮机组的正常运行，并且提高其运行稳定性、工作效率。

　　①严格依据国家相关规定管理水轮机组的运行。 水电站在系统中一般都具有调频调峰的任务，在短时间内，在保证运行范围小时数之外运行的小时数基本无法避免， 在实际工作中，应该尽量将运行范围之外运行的小时数控制在 5%左右。

　　②在水轮机组的运行状况下，应该尽量避开振动区域。 混流式水轮机一般有 1 个振动区或者 2 个振动区， 所以在水轮机的开机和停机阶段， 可以采用跨越的方法尽量避开振动区域。 除此以外，在水轮机组的日常工作中，还应该尽量减少开机次数和停机次数。 因为在频繁的开机和停机过程中，水轮机转速以及水压力的都会不断发生变化， 而这种现象对于机组的稳定性极为不利。

　　③新时期，科学技术发展迅速，在水电站的日常运行中，也应该采用先进的检测方法， 对水轮机组的运行状况进行实时监测，保证水轮机的运行稳定性。

　　4 结束语

　　我国地大物博，水利资源十分丰富，通过学习国外的先进技术和工作经验，并通过自身的研究总结，目前我国已经陆续建立了一大批水电站，并且，随着研究的不断深入，水轮机组的设计、施工和日常维护技术也取得了很大进步。 本文主要对水轮机组的稳定运行进行了详细探究， 希望通过本文研究提高水电站工作水平。

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