影響水輪機(jī)穩(wěn)定性的因素及維護(hù)對策的論文
新時期，水輪機(jī)設(shè)計方面，不斷向著大尺寸以及大容量的方向發(fā)展，水輪機(jī)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速逐漸增高，而且水輪機(jī)的相對剛度逐漸正在不斷減弱。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)自動化水平越來越高，水電站逐漸開始實現(xiàn)“無人值班，少人值守”的運(yùn)行管理方式。 因此，業(yè)內(nèi)開始逐漸重視水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并對此提出了更高要求。 本文主要以混流式水輪機(jī)為例，詳細(xì)分析水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響因素，并詳細(xì)探究提高水輪機(jī)穩(wěn)定性的有效策略。
目前，在實際工作中，由于混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)形勢比較簡單而且工作效率比較高，因此已經(jīng)逐漸得到了廣泛應(yīng)用。 目前，在我國眾多水電站中，金沙江向家壩水電站的單機(jī)容量最大，其水輪機(jī)額定功率已經(jīng)高達(dá) 812MW,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑約有 9.75m, 該水電站同時也是世界上已有水輪機(jī)中單機(jī)容量最大的。
1 水輪機(jī)穩(wěn)定性及必要性
對于水輪機(jī)質(zhì)量進(jìn)行評定，需要關(guān)注三個指標(biāo)，分別為穩(wěn)定性、能量以及空化。 其中，能量和空化指標(biāo)的評判比較直觀，而且通過充分挖掘和利用， 能夠在很大程度上減少水電站成本投入，增加發(fā)電收益，因此，業(yè)內(nèi)對于對能量和空化指標(biāo)更加關(guān)注，而且相關(guān)研究也比較深入。 水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行與水輪機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行是密切相關(guān)的， 以往人們對于水輪機(jī)并不重視對其穩(wěn)定性的研究，但水輪機(jī)穩(wěn)定性問題卻比較復(fù)雜、涉及面廣，因此，對水輪機(jī)穩(wěn)定性的研究不夠深入。
水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)為在水輪機(jī)組的運(yùn)行中所體現(xiàn)出的水力振動和機(jī)械振動。 當(dāng)水輪機(jī)在運(yùn)行狀況下，其穩(wěn)定性較差，則會產(chǎn)生比較幅度較大、頻率較高的振動，而此類強(qiáng)烈的振動會嚴(yán)重影響水輪機(jī)的正常運(yùn)行，隨著時間的推移，水輪機(jī)表面會逐漸產(chǎn)生很多裂紋甚至?xí)䦟?dǎo)致水輪機(jī)廠房以及其他水工建筑發(fā)生振動作用， 最終會威脅到整個水電站的正常運(yùn)行。 根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究可指，目前，我國大批中型水輪機(jī)的已經(jīng)投入生產(chǎn)， 并且已經(jīng)有很多水電站的水輪機(jī)逐漸暴露出振動問題，嚴(yán)重程度各不相同，而且隨著振動問題的發(fā)展，水輪機(jī)的葉片也會逐漸產(chǎn)生裂紋，另外，軸瓦部分也會產(chǎn)生裂紋，隨著問題嚴(yán)重程度不斷加深，最終會影響到水電站運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 因此，探究影響水電站水輪機(jī)穩(wěn)定性的各種因素至關(guān)重要。
2 水輪機(jī)穩(wěn)定性主要影響因素
在實際工作中， 很多因素都會影響混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性，對此，本文將從水輪機(jī)的水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、構(gòu)件加工制造等多個方面進(jìn)行詳細(xì)的研究探討。在整個水輪機(jī)組的設(shè)計工作中， 水力方面的設(shè)計影響力較小。 當(dāng)水輪機(jī)組在正常工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時，機(jī)組轉(zhuǎn)輪出口水流會不斷流出，而轉(zhuǎn)輪出口水流不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)水輪機(jī)不處于最優(yōu)工作狀態(tài)下， 轉(zhuǎn)輪出口的水流會在水輪機(jī)尾水管中逐漸形成環(huán)狀水流， 當(dāng)水輪機(jī)在低水頭的 40~70%部分負(fù)荷工況下，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口水流會正向旋轉(zhuǎn)，并且逐漸形成帶狀渦旋，甚至?xí)l(fā)水輪機(jī)組產(chǎn)生振動作用。 在水輪機(jī)運(yùn)行工作中，造成水輪機(jī)組振動的最為主要的因素就是尾水管的壓力脈動，而且這一因素會對混流式水輪機(jī)的正常運(yùn)行構(gòu)成威脅。 另外，如果繞流翼型尾部產(chǎn)生卡門渦列，也會影響水輪機(jī)的正常運(yùn)行，因為豈會導(dǎo)致水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生強(qiáng)迫性的振動， 當(dāng)這種強(qiáng)迫性振動的頻率與轉(zhuǎn)輪葉片的自振頻率形成倍數(shù)關(guān)系時，就會導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂縫，甚至?xí)䦟?dǎo)致葉片斷裂。 除此以外，還有一個因素也會影響水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，即水力因素，如果水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行狀況與水輪機(jī)設(shè)計工況出現(xiàn)偏差，則在葉片的進(jìn)出口就會發(fā)生脫流現(xiàn)象， 由于脫流現(xiàn)象的頻率不穩(wěn)定，因此其危害程度也有所不同。
水輪機(jī)的水力模型是整個水電站的動力來源。 科學(xué)合理的水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工制造能夠有效提高水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性， 而影響其結(jié)構(gòu)合計與制造的因素主要有三點如下所示：①過流部件，當(dāng)流道內(nèi)的水流壓力作用于過流構(gòu)件上，則會產(chǎn)生應(yīng)力作用， 隨著應(yīng)力的增加， 會導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生彈性變形，另外，當(dāng)水流發(fā)生攪動作用時，各個構(gòu)件也會產(chǎn)生振動作用。 當(dāng)水流的振動頻率與部件的固有頻率相同時，還會產(chǎn)生共振作用，不僅會產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音污染，而且還會影響水輪機(jī)組的正常運(yùn)行。 特別是對于尺寸較大、轉(zhuǎn)速較低的水輪機(jī)組，其本身固有頻率與水力低頻十分接近， 因此很容易受到共振影響。 ②加工工藝的影響，在水輪機(jī)組的加工制造工作中，如果葉片加工不精準(zhǔn)，或者在構(gòu)件的焊接過程中出現(xiàn)誤差，則葉片的進(jìn)出口開口值就會比較不均勻， 最終會導(dǎo)致水輪機(jī)組發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動問題。 ③在迷宮環(huán)加工時橢圓度大，也會導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生振動問題。
另外， 水輪機(jī)組的安裝質(zhì)量同樣也會影響水輪機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。 在水輪機(jī)組的各個構(gòu)件中，如果其導(dǎo)軸承互不同心，或者軸線不正，則引起水力振動，同時還會引起軸承構(gòu)件發(fā)生振動。 還需要注意的是，如果轉(zhuǎn)輪機(jī)平衡性較差，則會產(chǎn)生葉開口值調(diào)整不均勻問題。
3 優(yōu)化水輪機(jī)穩(wěn)定性措施
�。�1）不斷優(yōu)化水輪機(jī)水力設(shè)計，在水輪機(jī)設(shè)計中提高其性能設(shè)計，保障水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。 所以，在實際設(shè)計工作中，設(shè)計人員不僅需要具備扎實的專業(yè)知識， 而且還要結(jié)合自身的工作經(jīng)驗，努力優(yōu)化設(shè)計。目前，計算流體動力學(xué)分析技術(shù)（CFD）和模型試驗應(yīng)用較為廣泛。 在設(shè)計階段，設(shè)計者必須結(jié)合工作經(jīng)驗，在工作中使用 CFD 和模型試驗，不斷優(yōu)化導(dǎo)葉翼型、轉(zhuǎn)輪葉片翼型以及泄水錐，盡量合理控制尾水管壓力脈動幅值。 目前，全世界尚沒有統(tǒng)一尾水管壓力脈動幅值范圍標(biāo)準(zhǔn)。 通常情況下，高水頭電站轉(zhuǎn)速較低、振動幅度較小，但是低水頭電站比轉(zhuǎn)速高，壓力脈動幅值相對較大。
�。�2）加強(qiáng)水輪機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量控制，提高檢修維護(hù)水平。 在水輪機(jī)設(shè)計階段，加強(qiáng)對水輪機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量控制，也是提高其運(yùn)行穩(wěn)定性的重要方式。 對此， 首先應(yīng)該提高水輪機(jī)通流部件剛度，盡量減少其在水力作用下發(fā)生變形。 除此以外，設(shè)計者在設(shè)計階段還應(yīng)該充分考慮尾水管固有頻發(fā)生共振的可能性以及在低負(fù)荷時水流渦帶頻率與轉(zhuǎn)輪固有頻率。 另外，還應(yīng)該科學(xué)設(shè)計葉片過渡部分，對于葉片根部的局部加強(qiáng)，應(yīng)該采用有限元分析法，減少應(yīng)力集中。 在轉(zhuǎn)輪制造階段，應(yīng)該采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹谱鞴に�，并且在材料上采用不銹鋼。 最后，還應(yīng)該采用三維軟件設(shè)計轉(zhuǎn)輪造型，控制葉片厚度。 轉(zhuǎn)輪加工完成后，要進(jìn)行平衡試驗，盡量避免重量偏差，提高平衡性。
為了更好的保障水輪機(jī)質(zhì)量，必須加強(qiáng)對其后期維護(hù)。 在水輪機(jī)的使用過程中，其葉片、轉(zhuǎn)輪以及其他構(gòu)件會逐漸發(fā)生氣蝕作用以及磨蝕作用，因此，需要定期對水輪機(jī)進(jìn)行檢測和修復(fù)工作。 目前，在水輪機(jī)的檢修工作中，最常見的修復(fù)方法為補(bǔ)焊修復(fù)。 在具體的補(bǔ)焊工作中，應(yīng)該時刻關(guān)注變形構(gòu)件的變形情況，補(bǔ)焊工作完成后，還要進(jìn)行無損檢測，并且將表面打磨光滑。
（3）加強(qiáng)水電站日常管理工作，有利于保障水輪機(jī)組的正常運(yùn)行，并且提高其運(yùn)行穩(wěn)定性、工作效率。
①嚴(yán)格依據(jù)國家相關(guān)規(guī)定管理水輪機(jī)組的運(yùn)行。 水電站在系統(tǒng)中一般都具有調(diào)頻調(diào)峰的任務(wù)，在短時間內(nèi)，在保證運(yùn)行范圍小時數(shù)之外運(yùn)行的小時數(shù)基本無法避免， 在實際工作中，應(yīng)該盡量將運(yùn)行范圍之外運(yùn)行的小時數(shù)控制在 5%左右。
�、谠谒啓C(jī)組的運(yùn)行狀況下，應(yīng)該盡量避開振動區(qū)域。 混流式水輪機(jī)一般有 1 個振動區(qū)或者 2 個振動區(qū)， 所以在水輪機(jī)的開機(jī)和停機(jī)階段， 可以采用跨越的方法盡量避開振動區(qū)域。 除此以外，在水輪機(jī)組的日常工作中，還應(yīng)該盡量減少開機(jī)次數(shù)和停機(jī)次數(shù)。 因為在頻繁的開機(jī)和停機(jī)過程中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速以及水壓力的都會不斷發(fā)生變化， 而這種現(xiàn)象對于機(jī)組的穩(wěn)定性極為不利。
�、坌聲r期，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，在水電站的日常運(yùn)行中，也應(yīng)該采用先進(jìn)的檢測方法， 對水輪機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，保證水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
4 結(jié)束語
我國地大物博，水利資源十分豐富，通過學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)和工作經(jīng)驗，并通過自身的研究總結(jié)，目前我國已經(jīng)陸續(xù)建立了一大批水電站，并且，隨著研究的不斷深入，水輪機(jī)組的設(shè)計、施工和日常維護(hù)技術(shù)也取得了很大進(jìn)步。 本文主要對水輪機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了詳細(xì)探究， 希望通過本文研究提高水電站工作水平。
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