摘要：水轮机作为水电站的主要动力来源，其平稳的运行对电站的安全运转起着重要的作用，为了保证水轮机的稳定性，水轮机的转轮和叶片无论从设计、制造还是运行过程中，都是提高水轮机稳定性的重中之重。因此，探讨分析影响水轮机稳定性的主要因素有着不容忽视的现实意义。本文主要分析了水轮机稳定性影响因素分析与优化策略。
关键词：水轮机；稳定性；影响因素；优化策略
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，使得水轮机安全稳定运行的越来越受到人们的关注。一般来说，影响水轮机稳定性的因素较多，其安全运行稳定性较差。在实际的水轮机运行过程中，如果其安全运行稳定性较差，其必然会影响到水轮机安全运行，久而久之，水轮机设备表面也会出现诸多裂纹，严重者会对整个水电站的安全运行造成不良影响。笔者结合实际经验，从完善设计方案，提升设计水准；提高品质，增强维护能力；注重日常运维工作，保障水轮机工作稳定等方面，对如何优化和提升水轮机稳定性提出了几点思考。
1水轮机稳定性及必要性
水轮机运行的稳定性主要体现为在水轮机组的运行中所体现出的水力振动和机械振动。当水轮机在运行状况下，其稳定性较差，则会产生比较幅度较大、频率较高的振动，而此类强烈的振动会严重影响水轮机的正常运行，随着时间的推移，水轮机表面会逐渐产生很多裂纹甚至会导致水轮机厂房以及其他水工建筑发生振动作用，最终会威胁到整个水电站的正常运行。根据相关调查研究可知，目前，我国大批中型水轮机的已经投入生产，并且已经有很多水电站的水轮机逐渐暴露出振动问题，严重程度各不相同，而且随着振动问题的发展，水轮机的叶片也会逐渐产生裂纹，另外，轴瓦部分也会产生裂纹，随着问题严重程度不断加深，最终会影响到水电站运行的安全性和经济性。因此，探究影响水电站水轮机稳定性的各种因素至关重要。
2影响水轮机稳定性的主要原因分析
2.1水力方面的原因
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。
（1）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。
（2）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。
（3）水轮机转动部分和固定部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。
（4）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。
（5）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，于是造成转轮振动。
2.2转轮设计制造方面的原因
（1）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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（2）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。
（3）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。
2.3水轮机运行过程中的原因
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。
3提升水轮机稳定性策略研究
3.1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。
3.2提高品质，增强维护能力
除了在设计方案中提高设计水准，在提高水轮机的稳定性方法还有以下几种:（1）增加水轮机零件制作工艺，减少水轮机在运作过程中扇叶变形的概率；（2）在水轮机中转轮作为一个重要的零部件，它的稳定直接关系到水轮机的稳定，所以在设计转轮时要考虑不同负荷的水量对转轮的影响，降低水轮机产生共振的概率，让转轮和尾水管不容易发生共振现象。（3）一些重要的零部件最好是使用不锈钢和一些高级材料制作，精确计算叶片的尺寸和形状，加大精确测量工具的使用，减少误差，同时也减少了转轮重量和叶片叶型造成的偏差引起的水力和机械不平衡从而产生附加的交变应力。（4）增加水轮机的维护频率。在实际使用中，工作人员应当尽心尽责，做好自己的分内事，对水轮机的叶片、转轮这些重要零部件多做检测和维护，减少不必要的维护，间接的增加水轮机的使用时间。
3.3注重日常运维工作，保障水轮机工作稳定
水轮机在工作中，工作人员也该做好管理工作，细节决定成败，只有做好细节工作，才能增加水轮机的使用寿命，从而提供水利发电效率，增加发电量。具体的要做到以下三点:（1）水轮机在工作时要躲避震动区域。水轮机在开启和关闭的时候要提高水轮机的转到速度，这种操作方法可以躲避震动区；（2）水轮机的运作要在规定的时间内。目前我国的水电站都有调频调峰任务，要尽量保证水轮机的运行时间在水电站的发电要求时间中，但是在实际运作中往往很难保证，所以应该把运行时间控制在5%之内，避免超时运行而造成的水轮机寿命的减短。（3）新一代的水轮机的操作模式较为多样，所以水轮机的运行时工作人员要时刻做好监督工作，要明确每一种模式的运行原理和结果。
参考文献
[1]覃琳.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究[J].通讯世界. 2015(24)
[2]于雷.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究[J].科技创新与应用.2015(13)
[3]龚芹炬.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究[J].河南科技.2013(03)
[4]黄小飞.影响混流式水轮机稳定性的因素与应对措施[J].科技视界.2013(23)
[5]龚芹炬.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究[J].河南科技.2013(03)
论文作者:杨怀荣,贺家维
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：水轮机论文; 转轮论文; 稳定性论文; 叶片论文; 水电站论文; 裂纹论文; 因素论文; 《电力设备》2018年第26期论文;