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水轮机稳定性影响因素分析与优化策略李元庆

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：李元庆

[导读] 摘要：科技的进步促进了社会的发展，我国水轮发电机组的发展逐渐向超大容量、超大尺寸和高转速的标准看齐，但是在实际使用中，对水轮机稳定性要求也在逐渐提高。

        (国网四川省电力公司德阳市绵东供电分公司四川德阳 618200)
        摘要：科技的进步促进了社会的发展，我国水轮发电机组的发展逐渐向超大容量、超大尺寸和高转速的标准看齐，但是在实际使用中，对水轮机稳定性要求也在逐渐提高。所以水轮机在设计中也要拔高设计标准，找准水轮机运行中遇到的各种各样的问题并提出合理的解决方案用于改进水轮机。
        关键词：水轮机；稳定性；因素；优化策略
        引言
        随着近年来我国现代化建设水平的不断提升，我国的水电站事业也得到了飞速的发展。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。尽管大容量以及大尺寸水轮机可以在较大程度上提升水电站的运行效率，但是由于其刚度弱化加之水电站智能化水平的提升[1]，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。
        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。其中水轮机的能量和水轮机的空化很容易判定，同时对水轮机进行一定程度的挖掘能够降低水电站运维的资金损耗，增加水电站的收成。因此现阶段水轮机的设定很注重水轮机的能量和空化，就这两个指标投入研究更大。而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。近些年我国工业经济发展，电力需求加大，水利发电电厂都改为使用大功率的水轮机发电，大功率的水轮机在发电时更容易产生的共振现象。这些都会影响水轮机的使用寿命和水电站的安全，因此，现阶段水轮机在设计生产当中也要注重水轮机稳定性的研究。
        2影响水轮机稳定性的几个因素
        2.1水力因素
        水力因素作为主要的水轮机组水力稳定性因素，尽管其对水轮机组设计工作产生的影响并不是特别大，但是在实际的运行过程中，也往往会对混流式水轮机安全稳定运行产生非常严重的影响。一般来说，在水轮机组正常运行过程中，其转轮出口会持续流出水且转轮不会发生旋转。而当水轮机组处于非最优运行状态时，由于水轮机机尾水管受到作用力，转轮出口处的水流大多呈环状；当水轮机组的低水头部分有40%-70%处于负荷状态时，其转轮出口处水流呈正向旋转并形成相应的带状漩涡，一旦形成带状旋涡，必然会对水轮机组的振动作用产生影响，进而对混流式水轮机的安全稳定运行造成严重的影响。在实际的水轮机运行过程中，水力因素对于其影响主要表现在以下几个方面：首先，扶流翼末端出现卡门涡流，水轮机转轮叶片由于受其影响，将会出现强迫性的振动，并且一旦振动频率与叶片振动频率呈正态分布时，将会对转轮叶片造成严重的损害，轻者转轮叶片出现裂缝，重者转轮叶片将会直接断裂[4]；其次，受水力因素的影响，水轮机组的设计工况往往会与实际运行工况不匹配，这样一来就是造成叶片在实际的运行过程中，出现脱流现象，必然会对水轮机组的正常运行造成严重的影响。
        2.2设计因素
        水轮机设计因素作为影响水轮机组安全稳定运行的主要因素，在实际的设计过程中，一旦结构设计以及工作质量出现问题，必然会对水轮机的安全稳定运行造成一定的影响。笔者研究发现，在设计因素中，其中几个因素对于水轮机组的安全稳定运行产生着非常直接影响。首先是过流部件的影响。所谓的过流部件，指的就是水轮机顶盖、底环刚度等等[5]。在实际的运行过程中，过流部件由于受流道中水流压力的影响，常常导致相关构件出现弹性形变；加之水流搅动下每个部件都会发生振动，当振动频率与部件中自身频率相同时，其振动问题更加明显，不但会对设备的正常运行产生影响，而且在运行过程中还会产生较大的噪声污染。其次，水轮机转轮的生产工艺。

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在实际的水轮机转轮加工生产过程中，由于生产或者加工工艺设计不合理或者是加工过程中操作不规范，往往会造成转轮叶片型线不精确或者是焊接误差出现，一旦这类产品应用到实际地水轮机组中，必然会产生振动问题。最后是迷宫环加工问题。在实际的水轮机组生产加工过程中，一旦迷宫环加工的椭圆度过大，迷宫间的间隙必然会变大，这样一来，极易引起水轮机组振动问题出现，严重影响其安全稳定运行。
        2.3水轮机的安装工作
        水轮机的安装步骤和要求也是影响水轮机稳定性的重要因素之一，在安装水轮机过程中，一定要让每一个水轮机的导轴承在同一条轴心上，水轮机做的轴心不正的话也会造成转轮迷宫环间隙分布不均从而造成水力振动，同时也会造成轴系上产生旋转横向力和脉动轴向力，这些都会让轴承产生对应方向的机械震动。
        3提升水轮机稳定性策略研究
        3.1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[6]，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。
        3.2强化品质，提升维护能力
        要想提升稳定性还有一个非常显著的方法就是做好设计以及生产工作。第一，提升零件的刚度，降低它们在水应力下发生变形的几率。第二，因为设备的转轮是其最为关键的零件，和稳定性的关联非常密切。所以在设计的时候要考虑在低负荷时水流涡带频率与转轮固有频率、尾水管固有频发生共振的可能性，让它们避开共振区域。同时还应该保证叶片过渡区域设计合理。在生产转轮的时候要切实的按照相关的工艺来进行。最好是使用不锈钢材料。经由软件进行适当的造型处理，掌控好叶片的尺寸，确保形状正确。在对其进行粗加工之后，要使用精确性较高的设备对其测试，减少由于叶片叶型和转轮重量偏差引起的水力和机械不平衡从而产生附加的交变应力。除了上文讲到的内容之外，我们还要做好设备的维护工作，它同样能够保证设备的品质，增加使用时间。设备的导叶以及转轮等会因为气蚀而发生磨损，当严重到一定的程度之后，就要在现场适当的修整处理。当前使用最多的处理方法是补焊。在补焊的时候要认真的监测防止其发生变形，在处理之后要对其无损探伤而且要磨光处理，保证型线和样板保持一致。
        3.3完善设计方案，提升设计水准
        完善的设计方案是保证水轮机稳定的重要保障，所以为了提高水轮机运行的稳定，水轮机的设计师在设计水轮机时要具有更高的专业水准和更高端的专业目光。目前，我国就水轮机的设计来说和国外在很多的设计思想上不谋而合，现在最为普遍的是计算流体动力学分析技术(CFD)和模型试验。设计师在设计水轮机的过程中，应该以计算流体动力学分析技术和模型试验为基础，应该优化水轮机的流道中的导叶翼型、转轮叶片翼型和泄水锥，减少水轮机产生卡门涡列，降低尾水管中心偏心涡带和尾水管压力脉动幅度。
        结语
        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:
        [1]荣红，蔡晶，于红岩，等.水轮机调速器的设计优化和稳定性评价[J].水电厂自动化，2017，38（04）：47-51.
        [2]宋通林.水轮机稳定性影响因素分析与优化策略[J].中国管理信\息化，2016，19（16）：64-65.