影響水輪機穩定性的因素及維護對策的論文

　　新時(shí)期，水輪機設計方面，不斷向著(zhù)大尺寸以及大容量的方向發(fā)展，水輪機電機組的轉速逐漸增高，而且水輪機的相對剛度逐漸正在不斷減弱。 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)自動(dòng)化水平越來(lái)越高，水電站逐漸開(kāi)始實(shí)現“無(wú)人值班，少人值守”的運行管理方式。 因此，業(yè)內開(kāi)始逐漸重視水輪機運行的穩定性，并對此提出了更高要求。 本文主要以混流式水輪機為例，詳細分析水輪機穩定性的影響因素，并詳細探究提高水輪機穩定性的有效策略。

　　目前，在實(shí)際工作中，由于混流式水輪機的結構形勢比較簡(jiǎn)單而且工作效率比較高，因此已經(jīng)逐漸得到了廣泛應用。 目前，在我國眾多水電站中，金沙江向家壩水電站的單機容量最大，其水輪機額定功率已經(jīng)高達 812MW,水輪機的轉輪直徑約有 9.75m, 該水電站同時(shí)也是世界上已有水輪機中單機容量最大的。

　　1 水輪機穩定性及必要性

　　對于水輪機質(zhì)量進(jìn)行評定，需要關(guān)注三個(gè)指標，分別為穩定性、能量以及空化。 其中，能量和空化指標的評判比較直觀(guān)，而且通過(guò)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)內對于對能量和空化指標更加關(guān)注，而且相關(guān)研究也比較深入。 水輪機的穩定運行與水輪機組的穩定運行是密切相關(guān)的， 以往人們對于水輪機并不重視對其穩定性的研究，但水輪機穩定性問(wèn)題卻比較復雜、涉及面廣，因此，對水輪機穩定性的研究不夠深入。

　　水輪機運行的穩定性主要體現為在水輪機組的運行中所體現出的水力振動(dòng)和機械振動(dòng)。 當水輪機在運行狀況下，其穩定性較差，則會(huì )產(chǎn)生比較幅度較大、頻率較高的振動(dòng)，而此類(lèi)強烈的振動(dòng)會(huì )嚴重影響水輪機的正常運行，隨著(zhù)時(shí)間的推移，水輪機表面會(huì )逐漸產(chǎn)生很多裂紋甚至會(huì )導致水輪機廠(chǎng)房以及其他水工建筑發(fā)生振動(dòng)作用， 最終會(huì )威脅到整個(gè)水電站的正常運行。 根據相關(guān)調查研究可指，目前，我國大批中型水輪機的已經(jīng)投入生產(chǎn)， 并且已經(jīng)有很多水電站的水輪機逐漸暴露出振動(dòng)問(wèn)題，嚴重程度各不相同，而且隨著(zhù)振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)展，水輪機的葉片也會(huì )逐漸產(chǎn)生裂紋，另外，軸瓦部分也會(huì )產(chǎn)生裂紋，隨著(zhù)問(wèn)題嚴重程度不斷加深，最終會(huì )影響到水電站運行的安全性和經(jīng)濟性。 因此，探究影響水電站水輪機穩定性的各種因素至關(guān)重要。

　　2 水輪機穩定性主要影響因素

　　在實(shí)際工作中， 很多因素都會(huì )影響混流式水輪機的穩定性，對此，本文將從水輪機的水力設計、結構設計、構件加工制造等多個(gè)方面進(jìn)行詳細的研究探討。在整個(gè)水輪機組的設計工作中， 水力方面的設計影響力較小。 當水輪機組在正常工況下運轉時(shí)，機組轉輪出口水流會(huì )不斷流出，而轉輪出口水流不會(huì )發(fā)生旋轉。 當水輪機不處于最優(yōu)工作狀態(tài)下， 轉輪出口的水流會(huì )在水輪機尾水管中逐漸形成環(huán)狀水流， 當水輪機在低水頭的 40~70%部分負荷工況下，水輪機轉輪出口水流會(huì )正向旋轉，并且逐漸形成帶狀渦旋，甚至會(huì )引發(fā)水輪機組產(chǎn)生振動(dòng)作用。 在水輪機運行工作中，造成水輪機組振動(dòng)的最為主要的因素就是尾水管的壓力脈動(dòng)，而且這一因素會(huì )對混流式水輪機的正常運行構成威脅。 另外，如果繞流翼型尾部產(chǎn)生卡門(mén)渦列，也會(huì )影響水輪機的正常運行，因為豈會(huì )導致水輪機的轉輪葉片產(chǎn)生強迫性的振動(dòng)， 當這種強迫性振動(dòng)的頻率與轉輪葉片的自振頻率形成倍數關(guān)系時(shí)，就會(huì )導致水輪機轉輪葉片產(chǎn)生裂縫，甚至會(huì )導致葉片斷裂。 除此以外，還有一個(gè)因素也會(huì )影響水輪機的穩定運行，即水力因素，如果水輪機機組運行狀況與水輪機設計工況出現偏差，則在葉片的進(jìn)出口就會(huì )發(fā)生脫流現象， 由于脫流現象的頻率不穩定，因此其危害程度也有所不同。

　　水輪機的水力模型是整個(gè)水電站的動(dòng)力來(lái)源。 科學(xué)合理的水輪機組結構設計與加工制造能夠有效提高水輪機運行的穩定性， 而影響其結構合計與制造的因素主要有三點(diǎn)如下所示：①過(guò)流部件，當流道內的水流壓力作用于過(guò)流構件上，則會(huì )產(chǎn)生應力作用， 隨著(zhù)應力的增加， 會(huì )導致構件發(fā)生彈性變形，另外，當水流發(fā)生攪動(dòng)作用時(shí)，各個(gè)構件也會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)作用。 當水流的振動(dòng)頻率與部件的固有頻率相同時(shí)，還會(huì )產(chǎn)生共振作用，不僅會(huì )產(chǎn)生嚴重的噪音污染，而且還會(huì )影響水輪機組的正常運行。 特別是對于尺寸較大、轉速較低的水輪機組，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，在水輪機組的加工制造工作中，如果葉片加工不精準，或者在構件的焊接過(guò)程中出現誤差，則葉片的進(jìn)出口開(kāi)口值就會(huì )比較不均勻， 最終會(huì )導致水輪機組發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。 ③在迷宮環(huán)加工時(shí)橢圓度大，也會(huì )導致機組發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題。

　　另外， 水輪機組的安裝質(zhì)量同樣也會(huì )影響水輪機組的穩定運行。 在水輪機組的各個(gè)構件中，如果其導軸承互不同心，或者軸線(xiàn)不正，則引起水力振動(dòng)，同時(shí)還會(huì )引起軸承構件發(fā)生振動(dòng)。 還需要注意的是，如果轉輪機平衡性較差，則會(huì )產(chǎn)生葉開(kāi)口值調整不均勻問(wèn)題。

　　3 優(yōu)化水輪機穩定性措施

　�。�1）不斷優(yōu)化水輪機水力設計，在水輪機設計中提高其性能設計，保障水輪機的穩定運行。 所以，在實(shí)際設計工作中，設計人員不僅需要具備扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識， 而且還要結合自身的工作經(jīng)驗，努力優(yōu)化設計。目前，計算流體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)（CFD）和模型試驗應用較為廣泛。 在設計階段，設計者必須結合工作經(jīng)驗，在工作中使用 CFD 和模型試驗，不斷優(yōu)化導葉翼型、轉輪葉片翼型以及泄水錐，盡量合理控制尾水管壓力脈動(dòng)幅值。 目前，全世界尚沒(méi)有統一尾水管壓力脈動(dòng)幅值范圍標準。 通常情況下，高水頭電站轉速較低、振動(dòng)幅度較小，但是低水頭電站比轉速高，壓力脈動(dòng)幅值相對較大。

　�。�2）加強水輪機產(chǎn)品質(zhì)量控制，提高檢修維護水平。 在水輪機設計階段，加強對水輪機產(chǎn)品質(zhì)量控制，也是提高其運行穩定性的重要方式。 對此， 首先應該提高水輪機通流部件剛度，盡量減少其在水力作用下發(fā)生變形。 除此以外，設計者在設計階段還應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荷時(shí)水流渦帶頻率與轉輪固有頻率。 另外，還應該科學(xué)設計葉片過(guò)渡部分，對于葉片根部的局部加強，應該采用有限元分析法，減少應力集中。 在轉輪制造階段，應該采用嚴謹的制作工藝，并且在材料上采用不銹鋼。 最后，還應該采用三維軟件設計轉輪造型，控制葉片厚度。 轉輪加工完成后，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質(zhì)量，必須加強對其后期維護。 在水輪機的使用過(guò)程中，其葉片、轉輪以及其他構件會(huì )逐漸發(fā)生氣蝕作用以及磨蝕作用，因此，需要定期對水輪機進(jìn)行檢測和修復工作。 目前，在水輪機的檢修工作中，最常見(jiàn)的修復方法為補焊修復。 在具體的補焊工作中，應該時(shí)刻關(guān)注變形構件的變形情況，補焊工作完成后，還要進(jìn)行無(wú)損檢測，并且將表面打磨光滑。

　�。�3）加強水電站日常管理工作，有利于保障水輪機組的正常運行，并且提高其運行穩定性、工作效率。

　�、�?lài)栏褚罁�國家相關(guān)規定管理水輪機組的運行。 水電站在系統中一般都具有調頻調峰的任務(wù)，在短時(shí)間內，在保證運行范圍小時(shí)數之外運行的小時(shí)數基本無(wú)法避免， 在實(shí)際工作中，應該盡量將運行范圍之外運行的小時(shí)數控制在 5%左右。

　�、谠谒�輪機組的運行狀況下，應該盡量避開(kāi)振動(dòng)區域。 混流式水輪機一般有 1 個(gè)振動(dòng)區或者 2 個(gè)振動(dòng)區， 所以在水輪機的開(kāi)機和停機階段， 可以采用跨越的方法盡量避開(kāi)振動(dòng)區域。 除此以外，在水輪機組的日常工作中，還應該盡量減少開(kāi)機次數和停機次數。 因為在頻繁的開(kāi)機和停機過(guò)程中，水輪機轉速以及水壓力的都會(huì )不斷發(fā)生變化， 而這種現象對于機組的穩定性極為不利。

　�、坌聲r(shí)期，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，在水電站的日常運行中，也應該采用先進(jìn)的檢測方法， 對水輪機組的運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，保證水輪機的運行穩定性。

　　4 結束語(yǔ)

　　我國地大物博，水利資源十分豐富，通過(guò)學(xué)習國外的先進(jìn)技術(shù)和工作經(jīng)驗，并通過(guò)自身的研究總結，目前我國已經(jīng)陸續建立了一大批水電站，并且，隨著(zhù)研究的不斷深入，水輪機組的設計、施工和日常維護技術(shù)也取得了很大進(jìn)步。 本文主要對水輪機組的穩定運行進(jìn)行了詳細探究， 希望通過(guò)本文研究提高水電站工作水平。

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