关于流式水轮机水力的稳定性的问题探讨

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1、关于流式水轮机水力的稳定性的问题探讨安德里茨（中国）有限公司528000摘要：混流式水轮机的水力稳定性与机组运行工况密切相关。当水轮机在远离设计工况（最高效率点）运行时，会产牛脱流和涡带，引起机组甚至相邻混凝土构件振动，并可能产牛疲劳破坏。近年来，随着单机容量和水轮机尺寸的增大，有些电站因水头变幅大、负荷调节范围宽、水轮机性能不完全适应电站运行条件、制造质量存在问题和补气不利，水轮机出现不同程度的水力振动，导致转轮叶片裂纹，尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房或相邻水工建筑物发牛共振,危及电站安全运行。本文对混流式（特别是高比速混流

2、式）水轮机的水力稳定性问题进行了初步分析和讨论。关键词：混流式水轮机；运行工况；压力脉动0前言混流式水轮机远离设计工况运行时，会产牛脱流空化和涡带，引起振动,并可能产牛疲劳破坏。国内外许多大型混流式水轮机都出现过不同程度的振动或转轮叶片裂纹、尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房及相邻水工建筑物共振，危及电站安全运行。1影响大型混流式水轮机水力稳定性的因素1.1水轮机组的振动对机组水力稳定性的影响近年来，无论是我国牛产的还是从国外进口的大型混流式水轮机，在使用过程中都出现了不同程度的振动，进而导致水轮机转轮的叶片出现裂痕，尾水管壁裂开

3、，严重的还导致厂房与邻近建筑物的共振，加重水电站的安全隐患。大型水轮机的水力稳定性己经受到业内人士的重点关注，大型机组因为振动问题频出，威胁着水轮机组的整体运行。水轮机组的振动影响水力稳定性属于机械稳定性的范畴，它包含的范围较为广阔。1.2水轮机止漏装置中的压力脉冲对机组水力稳定性的影响大型混流式水轮机的止漏装置较一般的来说复杂一些，之间间隔的空间也比较小，止漏装置前后形成较大的压力差，一旦水轮机出现非常态的运动时，在间隔的空间容易形成较大的压力脉动。如果止漏装置的零件精确度没有达到标准，水轮机组在安装吋转轮与转轮室之间不一致

4、，以及转动过程中出现的不平衡等因素，都会导致运行过程中失去平衡，间隔的空间是随着机组不断旋转而变化的，在水动力的影响下，使得转轴岀现冋旋，最终使得整个水轮机组因为剧烈的振动失去平衡，机器停止运行。1.3卡门涡以及脱流对水轮机水力稳定性的影响卡门涡主要出现在水轮机叶片出水的部门，它只能是在叶片产生共振的情况下才会被发现，表现形式往往是单纯的噪音。目前，卡门涡的规律性特征已经基本被掌握，在水轮机组的设计阶段就会被考虑其中，使得最终避免。另一个影响因素是脱流，般情况下脱流发生在水轮机转轮叶片的进口或者出口的边缘,因为脱流形成的压力脉

5、动随机的可能性比较大，即没有规律的振幅变化，没有固定的振动频率，一般只产生没有规律性的流动噪咅，通常情况下也是在共振的情况中才被发觉。1.4转轮设计制造工艺尚存不足随着水电事业的发展，水轮机组的容量不断增加，机组的尺寸不断加人，但是转轮设计工艺尚且不满足要求。减低了机组的固有频率，大型水轮机组更容易发生共振，影响水力的稳定性，机组出现大幅度的共振，导致水轮机的叶片出现大部分的裂纹。裂纹极易出现的原因是因为目前人部门叶片的焊接采用的是T型焊接，T型焊接的特点便是较难抵抗超强度的压力。同时在转轮焊接过程中，因为焊接工艺的不完善以及

6、没有进行应有的热处理，会出现气孔，夹渣等问题，影响水力的稳定性。2混流式水轮机转轮的结构及裂纹出现的部位转轮是水轮机最关键部件之一，混流式水轮机转轮（以下简称混流式转轮）的结构如图1所示，它由上冠、叶片（大部分为13个）、下环三大主要构件组成。传统的转轮其上冠、叶片和下环采用碳钢整体铸造后加工。随着转轮尺寸和重量的增加，现在国内外大型混流式转轮的制造都采用拼焊结构，即上冠、叶片、下环分别加工制造后再组合焊接成转轮整体。依据拼焊转轮制造工艺的不同，大型混流式转轮又可按照分瓣转轮（对称分半或偏心分半）和整体转轮（水电站现场拼焊）的

7、方案进行制造。鉴于大型混流式分瓣转轮（尤其是偏心分瓣转轮）暴露出的严垂问题，我国目前在人型混流式转轮的制造过程中尽可能采用水电站现场拼焊整体转轮的方案（三峡巨型转轮即采用此方案）。根据国内具有代表性的主要水电站混流式水轮机实际运行技术资料的统计分析和研究表明，我国人型混流式水轮机转轮叶片裂纹屡屡发生于转轮叶片出水边，尤其集中于叶片出水边根部与上冠、下环的连接焊缝和焊缝热影响区内,而且基本上是贯穿性裂纹（即穿透叶片的正、背面）。3防止裂纹的主要措施3.1足够的刚强度良好的水力设计应同时增强转轮的刚度和强度，因此要求：?合理选择导

8、叶高度，在保证水力参数的前提下选择较低的导叶高度；?合理选择上冠、下环的型线，不选“平顶”上冠和大扩散角下环；?合理选择转轮的出口直径D2,在保证水力参数的前提下选择较小的D2；?合理选择叶片的厚度（特别是出水边的厚度）；?适当加大叶片的包角；?适当增加叶片数；?适当增大叶片