水轮机稳定性影响因素分析与优化策略李智达

水轮机稳定性影响因素分析与优化策略李智达

李智达

渭南市石堡川水库灌溉管理局陕西渭南715200

摘要：随着我国现代化建设进程的不断推进，水电站事业也得到了迅猛发展。水轮机作为水电站运行过程中较为重要组成部分，近年来其发展也呈现出向大容量、大尺寸发展。但是由于水轮机的刚度弱化加之水电站智能化水平的提升，使得水轮机安全稳定运行的越来越受到人们的关注。现阶段我国较为常用的水轮机类型为混流式水轮机，如何在这类水轮机设计以及生产过程中提升其运行的稳定性，对于保证我国水电站的安全运行有着非常深远的影响。

关键词：水轮机；稳定性；影响因素；优化策略

1水轮机的稳定性和必要性的意义

评定水轮机好坏的三个重要指标，一是水轮机的能量，二是水轮机的空化。三是水轮机的稳定性。水轮机的稳定性主要是影响也水轮机的运作安全，但是目前对水轮机设计中对水轮机的稳定性重视程度不够，并且影响水轮机稳定性的因素较多，解决对策不足，所以目前在水轮机设计当中对稳定性的研究比较浅。水轮机在运作的时候，它的震动幅度是我们检测水轮机稳定性的一个重要指标，包括水利震动和机械震动。水轮机在运行过程中它的不稳定指数超过安全指数后，超额的震动会导致水轮机内部细小零件的松动甚至是脱落，很多程度上会造成水轮机内部零件出现裂纹，同时震动的频率如果和厂房频率相同，也会造成厂房产生共振现象，造成厂房坍塌，进而威胁工作人员的生命财产安全。

2影响水电站水轮机运行稳定性的主要因素

2.1水力因素

水力方面的因素对水轮机组设计工作的影响较小。在水轮机组正常运作过程中，其转轮的出口处将持续流出水且不会发生旋转。对于非最优工作状态中的水轮机，由于在水轮机尾的水管中受到作用力，其转轮出口处的水流形状将呈现为环状。当水轮机的低水头部分有40%一70%都处在负荷过程中时，其转轮的出口处水流将正向旋转，在这一过程中逐渐形成带状漩涡，严重可导致水电站水轮机组的振动作用。水轮机组振动的主要原因是其尾水管受到压力脉动，这同时也威胁混流式水轮机的稳定运行。当扶流翼的末端出现卡门涡流时，也将对水轮机的正常运行造成影响，其不良作用不仅造成转轮叶片的强迫性振动，尤其一旦其振动频率同叶片自振频率之间是整倍数关系时，将更加容易造成水轮机的转轮叶片出现裂缝，情况严重时将出现叶片断裂。再者，水力因素也会导致水轮机组的设计工况同实际运行情况不吻合，其结果是叶片进出口过程中出现脱流现象，其危害性大小随脱流产生的频率正比变化。

2.2结构设计因素

就水轮机的设计方面而言，其水力模型被视为整个水电站必不可少的动力来源，其结构设计和工作质量对水轮机运行的稳定性同样会造成一定影响。下面将就其影响的主要方面进行介绍。第一，过流部件的影响，如顶盖、底环刚度等。当过流部件受到流道中水流压力的影响时，会由于应力作用的产生和增强而导致其构件出现弹性形变。同时，随着水流的搅动，每个部件都会产生振动作用，尤其当水流的振动频率同部件自身属性中的固有频率相同时，更容易导致振动问题的出现，这不仅会造成较严重的噪声污染，同样也会威胁水轮机组的正常运转。第二，水轮机的转轮加工工艺对其稳定性造成的影响。水轮机组加工以及制造过程中出现的转轮叶片型线不精准问题，或者由于其构件在焊接时出现了误差，将导致其叶片的进出口位置开口值不均匀，由此一来，水轮机组的发动机会由于转轮上出现横向力不平衡而导致产生振动问题。第三，迷宫环加工问题。当迷宫环加工的椭圆度过大，将造成迷宫间隙不均匀，进而引发水轮机组振动问题的出现，其顶盖发生垂直跳动，水导摆度增大。

2.3构建质量因素

安装质量对水轮机稳定性的影响也不可忽视。导轴承互不同心而导致的机组轴线不正，轴线不正同样会使转轮迷宫环间隙不均匀而引起水力振动。另外亦会使轴系上存在脉动轴向力及旋转横向力，引起轴承在相应方向的机械振动。此外，导叶开口值调整不均匀也是水轮机振动的根源之一。

3提升水轮机安全稳定运行的具体措施分析

3.1提升水轮机的水力设计水平

要想保证现阶段我国水电站水轮机运行过程中的安全稳定运行，其中非常重要的一项工作就是做好水轮机水力设计水平的整体提升工作。首先，应保证参与水轮机设计的相关人员其专业知识以及职业素养整体水平，并将一些专业知识扎实的人才吸收到实际的设计工作中来，为其设计提供良好的人才保障；其次随着现阶段CFD以及模型试验在机械设计中的应用越来越广泛，相关设计人员应不断加强自身的学习以及实践水平，将现代新型技术应用的具体的设计过程中当中，通过CFD技术以及模型试验技术的应用，对导叶、转轮叶以及泄水锥等相关构件进行合理的优化，并以此为基础不断提升水轮机机尾脉动控制的合理性水平。

3.2提高水轮机日常管理水平

科学合理的日常管理，不仅可以有效地提升水轮机组相关设备的运行效率，还可以在一定程度上延长设备的使用寿命。因此，要想实现水电站水轮机运行稳定性整体水平的提升，做好水轮机日常管理工作也是其中非常重要的一项工作。在这一过程中，水电站相关管理人员应首先从最大限度上保证水轮机组相关设备在规定范围内进行工作，由于水电站中各个组成系统都有调频以及调峰任务，因此，在实际的运行过程中，应将调频以及调峰的小时数控制在一定的范围之内，这一范围以5%为宜；其次，运行过程中尽量躲避振动区域，一般来说，水轮机组大约有两个振动区，因此，在实际的运行过程中，相关管理人员可以通过较快的速率来进行设备开启和停运，这样可以有效躲避振动区域，此外，在实际的运行过程中，还应尽可能的减少对于设备的开启以及停运频率，以此来保证有效的防止振动的发生；最后，相关设备管理人员还应对设备的运行模式进行必要的监测，以此为基础来及时发现并处理运行过程中设备出现的各类问题，保证设备的安全稳定运行。

3.3做好水轮机产品的质量控制以及设备维护工作

做好水轮机产品的质量控制以及设备维护工作也是保证水轮机组稳定安全运行的重要途径之一。对于水轮机组产品质量控制工作而言，在实际的工作过程中，相关质量管理人员应首先保障相关通路部件的刚度，以此为基础防止其由于受水力作用而发生变形；其次是做好设计阶段的质量控制工作，从源头上降低质量问题发生率。而对于设备维护工作而言，其主要是对水轮机叶片、转轮以及相关易磨损构件进行维护以及检修，并在补焊的过程中注意构件变形，待完成相应的无损检测后，才能真正投入使用。

结束语

综上所述，随着近年来我国现代化建设水平的不断提升，我国水电事业也得到长足的发展。基于这种背景，水轮机设计以及生产也呈现出大容量、大尺寸的发展趋势。只有做好水轮机设计以及生产工作，才能从根本上不断提升水轮机运行的稳定性。并且随着我国相关技术的不断成熟，做好水轮机的安全运行工作，对于促进我国水电站事业的长期有效发展也有着非常积极的意义。

参考文献：

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