关于水轮机稳定性问题探讨

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1、关于水轮机稳定性问题探讨　　摘要：随着全世界能源陷入紧张的危机，我国也不例外，能源的紧缺导致了煤荒、电荒的发生。目前我国电能来源已水电站占据大部分，在水电站运行过程中，水轮机是其重要的设备之一，如何保证水轮机的稳定是保证水电站正常运行的主要保障，但在实际运行当中，水轮机的稳定性还需要对机组运行的稳定性和叶片的裂纹问题进行研究，以减少水轮机安全运行的隐患。本文通过对影响混流式水轮机稳定性的因素进行分析研究，提出了提高机组运行稳定性的对策建议。　　关键词：水电站；混流式水轮机；稳定运行　　中图分类号：TV734.1文献标识码：A　　前

2、言　　对于我国大部分的水电站来讲，混流式水轮发电机是各水电站的重要设备，混流式水轮机以其简单、高效、制造工艺成熟等诸多优点成为各水电站低成本、高效益稳定运行的重要保障。混流式发电机以其强大的优势占据着水电站机组的主导位置，但混流式水轮机还存着自身无法克服的弱点。混流式水轮机机组的振动和叶片的裂纹已成为威胁机组安全的重要隐患，严重阻碍了水电站的经济效益的发挥。所以对混流式水轮机运行的稳定性进行研究已刻不容缓。　　1影响混流式水轮机稳定性的主要原因分析　　1.1水力方面的原因5　　水轮发电机组由于水力因素引起振动主要有以下几种情况。　

3、　一是水轮机在非设计工况下运行的振动。当水轮机处于空载、低水头、小负荷、高水头、超负荷大流量的运行状态时，除了承受流体的压力载荷之外，还承受了压力脉动和水力扰动引起的动态载荷的影响。　　二是尾水管内的空腔涡带产生的压力脉动。由于混流式水轮机是固定叶片式的水力机械，当水轮机偏离最优工况运行时，由于转轮出口水流有一个旋转圆周分速度，使转轮下方靠近尾水管轴线的区域出现较大的真空，当真空达到一定数值后便产生空腔气蚀形成涡带，涡带是螺旋形绕尾水管轴线不稳定的旋转，会引起机组振动，并对尾水管产生相当大的破坏作用。　　三是水轮机转动部分和固定部

4、分间隙不均产生的压力脉动。由于水轮机转动部分和固定部分间隙不均使转轮中心偏离机组中心，转轮圆周各处固定和旋转迷宫环间隙随着转轮的旋转不断变化，间隙内水压也相应变化，沿转轮圆周对水压进行积分，就有一作用在转轮上的横向水压力的合力，该合力总是迫使转轮中心进一步偏离机组中心，加剧振动。　　四是涡列引起的振动。当水流绕流叶片，由出口边流出时，便会在出口边处产生涡列，从叶片的正面和背面交替出现，形成对叶片交替的冲击。当叶片自振频率与冲击频率相同，便产生共振。　　五是水力不平衡引起的压力脉动。当转轮的水流失去轴对称时，出现不平衡的横向力，于是

5、造成转轮振动。　　1.2转轮设计制造方面的原因　　一是叶片和上冠、下环的焊接部位，由于采用的是“T”型焊接方式，是空间几何形状突变的位置为应力集中区域，也是疲劳强度最低的部位。5　　二是转轮叶片和上冠和下环比较，平面尺寸较大而横截面尺寸相对较小；与上冠、下环焊接成转轮后刚度最小，在运行时承受交变负荷时容易产生疲劳裂纹。　　三是叶片出水边相对进水边薄，强度差，在交变负荷作用下最易发生裂纹。　　四是在转轮焊接过程中由于焊接工艺和热处理不当等因素，产生夹渣、气孔、应力集中等缺陷，在交变负荷作用下将降低疲劳强度和使用寿命。　　1.3水轮机

6、运行过程中的原因　　水轮机在电网中担负着系统调峰和调频的作用，作为电网能源的主要动力来源，水轮机长时间的不间断运行是势所难免的，因此我国大部分混流式水轮机裂纹的产生都是由于疲劳运转的原因，在不间断的旋转状态下运行时，会有交变动态载荷和压力脉动的强大作用，这种情况下，混流式水轮机的转轮就会处于疲劳状态，如此情况循环的运转，会加大裂纹产生的机率。　　2提高水轮机稳定性的几点建议　　2.1合理选择水轮机Hmax/Hmin的变化范围　　混流式水轮机在设计时要保证水头处有一个较为稳定的运行区间，这个区间可以在一定程度上减小振动和裂纹，这二处

7、危害减弱了，水轮机的运行平稳性就能得到很好的体现。所以在设计混流式水轮机的转轮时考虑叶片折水力负荷，这种固定式的叶片式的水力机械在设计时水头变幅不宜过大。有文献建议，水轮机最大水头和设计水头的比值应控制在1.2以下，最大水头与最小水头的比值应控制在1.5以内。5　　2.2确保水力设计的科学性和合理性　　一是合理选取水轮机的比转速。为了保证水轮机的稳定性，所以在选取水轮机时要注意水轮机的比转速，要控制水轮机的比转速不能过高，以使对水轮机的强度造成影响，同时也会减弱水轮机的磨损度，使稳定性难以保障。当水轮机稳定性指标不能满足时，应采用

8、较低的比转速，并选择较低的导叶相对高度bo，减小单位流量Q'1。　　二是降低尾水管压力脉动值，控制叶道涡的发生。叶道涡从发生到发展是有一个过程的，在转轮模型试验时就应注意，尽量把叶道涡发生线排除在运行范围之外。尾水管压力脉动值应按不同水头段、不同负