摘要：水轮机在运行过程中极易收到动力不平衡的影响，这些影响小到会影响水轮机的运行效率，大到会对人员财产形成潜在威胁。所以笔者基于自身工作经验和查阅相关资料，先是从设计安装、水力作用、运行过程三个角度阐述了不平衡现象产生的原因，然后列举了相关的应对措施。
关键词：水轮机；不平衡现象；机组稳定性
水轮机是水电站的核心设备之一，其基本原理是利用水流的动能来带动转轮叶片的旋转，从而达到将水能初步转化为旋转机械能的目的。现代意义上的水轮机由在18~19世纪的欧洲学者提出并发展而来，经过几个世纪的不断研究，水轮机的品种和单机容量都有了非常大的变化。我国的水轮机研究始于20世纪初，如今在大型混流式和轴流式机组的设计生产上已经能够与国际接轨。水轮机动力不平衡现象一直是困扰着水轮机发展的一个难题，所以本文主要对水轮机动力不平衡现象的成因及危害进行探究，而笔者也是基于笔者所在机组的具体情况来对不平衡的原因进行列举。
一、水轮机动力不平衡引起的危害
1.设计安装引起的不平衡及其危害
首先水电机组的因设计安装的失误而出现的轴线不正现象。当轴承的中心线发生偏移时，转子的弓状回旋半径也会跟着增大，水轮机的不平衡也就随之而来。轴线不正除了引发水轮机内部出现超过允许值的压力脉动，严重时还会引发机组的自激振动，在水轮机运行时附加大幅度的摆动和两倍的径向力，对机组的运行造成危害。
其次是作为水轮机轴承支撑作用的转子，转子如果因为本身质量出现问题或者是安装出现了偏差，那么在长时间运行时就会引发水轮机在惯性力作用下的不平衡现象。这种不平衡现象对水轮机的破坏十分严重，会直接导致主轴弯曲形变，进而发生严重的振动现象。所以及时的对转子进行检修更换十分必要。
第三是叶片或其他部件因设计安装问题而出现的离心惯性，从而导致水轮机组部分重量不平衡。离心惯性的出现会让水轮机在运行过程中的出现振幅过大，从而在自身惯性力的作用下推动轴承的摆振超过限度，进而增大局部摩擦，为水轮机组的运行带来隐患。不过机组的振动大小与负荷大小没有太大的关系，主要还是与由转速高低来决定。而且叶片如果经过补焊后也会使局部叶片出现变形的情况，也会出现以上情况。
最后是其他的一些因素。比如在安装设计时出现的轴瓦间隙过大、轴承缺陷、推头力松动等情况。轴瓦间隙过大能导致转子的弓状回旋半径出现问题，增加摆度的幅值的同时降低转动部件的临界转速；轴承缺陷能增加轴承与其他部件的摩擦，增加机组的横向振动；推头力松动会使机组的动态轴线发生变化，从而破坏机组在运行时的动态平衡，这些情况都能够增加加剧水轮机运行时的动力不平衡现象。
2.水力引起的不平衡及其危害
水流形成的压力是水轮机在运行过程中收到的主要外部力量，因为不同流域的情况不同，所以水力因素也带有一部分的随机性，所以对水力因素引起的不平衡现象时应该因地制宜的去分析：
首先是转轮出口处出现水流旋涡等现象。这种现象主要是水轮机在非设计工况下进行运行，因为出现设计之外的情况而出现旋转水流，从而导致尾水管的内部出现水压脉动现象。水压脉动是水轮机在运行过程中，尾水管壁、导水机构、转轮、蜗壳和压力管道等出现不平衡问题的主要原因，这种不平衡会让尾水管出现振动进而造成破坏。
其次是因为导水叶的叶片或者流道的形状出现问题。这主要是因为安装或设计时出现了较大的偏差，从而让原本通过应该通过蜗壳形成环流的水流出现了不平衡现象，对作用于转轮的水流试驾了一个不平衡的横向力，从而引起转轮在空载或者低负荷运行是出现强烈振动的现象。
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第三是因为水流中的杂物或泥沙导致转化叶片间出现故障，从而在出口处形成卡门涡列。因为水流在以恒定的束流通过水轮机时会在转化叶片间的两侧形成旋涡，这种旋涡旋转方向相反、排列富有规则，当卡门涡列的旋转时就会有几率与转动体叶片形成共振现象，从而使水轮机出现不平衡现象。
第四是水流在与水轮机会出现气蚀现象。水流在流经水轮机时会因为各种原因在水流中产生气泡，同时因为水击压力造成气泡溃灭，气泡在溃灭的瞬间会释放一定的热量导致水轮机构件的金属同水流出现化学反应，进而对水轮机内部的叶片、内壁等部位出现化学侵蚀，影响水轮机的运作。气蚀现象分为翼型气蚀、间隙气蚀、局部气蚀和空腔气蚀，其中空腔气蚀会影响水轮机的动态轴线，导致水轮机运转过程中出现不平衡现象。
3.运行过程引起的不平衡及其危害
在水轮机的运行过程中除了受安装设计的影响之外，还会受到其他一些因素的影响：
首先是电磁因素的影响。水轮机在运行过程中不可避免的会受到电机的电磁力影响，产生不平衡磁拉力，具体可以从以下几个方面来说：一方面，转子在运行过程中会出现绕组短路现象。转子在运行过程中自身就形成了一个磁场，如果其中一个磁极因短路而出现和另一个磁极的磁动势不平衡的现象，就会形成一股与转子旋转方向不同的磁拉力，引起转子的不平衡；另一方面，水轮机内部出现空气间隙不均匀的时候也会产生不平衡的磁拉力，而且随着空气间隙的周期性变化，不平衡的磁拉力也会作周期性的运动；第三方面可能是因为电机中的磁路和电路不对称，具体可表现为钉子绕组固定不够、分块定子合缝不好，定子并联支路内环和定子分数槽次谐波磁动势等等原因，产生定子以极频或整倍数频振动引起水轮机运转不平衡。
其次是水轮机在运行过程中出现大轴原始摆度过大、机组中心因为各种原因出现振动、外力作用下的轴承机座变形和机架移动、零件松动位移等等情况都能早造成水轮机运行的动力不平衡现象。所以检修人员应该重点见转动部位的螺丝、焊缝等位置，及时做出处理，保证水轮机的安全运行。
二、水轮机动力不平衡的应对措施
应对设计安装引起的不平衡现象时，需要从设计之初就进行严格把关，对设计图纸进行多次审查，力求将设计的影响降至最低；在施工时进行相应的监管，保证施工的每一步都是按照设计进行；施工完成后进行定期的维护和保养，对每次维护都进行严格记录。同时如果在施工后出现轴线问题就需要进行轴线调整，从动平衡、轴瓦间隙等几个方面来保证精密度和同心度。
应对水力引起的不平衡现象时，需要对所在流域的水流情况进行调查，因地制宜的设计相应措施，具体可以分为以下几点：第一，对于气蚀现象可以采用补气的方法来消除机械振动，也可以在尾水管入口处增加导流瓦、导流翼板或者共泄水锥等情况；第二，对于卡门列涡可以采用改变叶片固有频率来消除共振的影响，也可以将叶片的出水边改型来形成影响交变选我的形成。
应对其他因素引起的不平衡现象时，相关人员同样需要定期检修，严格遵守制造厂家相关规定，对隐患做到早发现早处理。
总而言之，水轮机动力的不平衡会直接导致其在运行过程中出现大幅度的振动。过大幅度的振动会使水轮机的连接部位产生松动，增加各部位运转时所产生的摩擦力，甚至会导致各部件之间产生材料疲劳，从而产生裂缝和断裂情况。另外如果振动的幅度和发电机系统的自振频率接近，就会发生共振现象，引起水轮机内部的大幅度出力波动，对机组的运行埋下隐患。
参考文献：
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[3]袁娅.水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施探讨[J].科学技术创新，2017（19）：32-33.
论文作者:毕光均
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/3
标签：水轮机论文; 不平衡论文; 现象论文; 水轮论文; 气蚀论文; 机组论文; 叶片论文; 《电力设备》2019年第1期论文;