大型混流式水轮机稳定性分析

罗育辉（广东鸿源机电股份有限公司，广东　兴宁　514500）

大型混流式水轮机稳定性分析

罗育辉
（广东鸿源机电股份有限公司，广东兴宁514500）

随着社会的进步和发展，对于电力需求度也在不断扩大，混流式的水轮机的出现逐渐装箱后高转速的大容量的方向的发展、单机的容量在不断的扩大、转速的提高和高水量的需求，对于混流式水轮机的要求也在不断的提高，同型机组的水力设计的要求呈现高比转速的发展趋势，空化引起的对相涡流引转式的问题逐渐得到了重视。

混流式水轮机；稳定性；流场；流动性

0　引言

混流式水轮机具有结构简单，适用范围广、研究发展技术成熟的特点在大型水电站的应用上占据着主导的地位，但由于涡轮机组的水轮机是固定叶片结构的水力设施，设备运行时的稳定性和转轮叶片的裂纹的产生是主要威胁水轮机安全运行的重点问题。

1　影响混流式水轮机内部稳定运行的因素

1.1水力因素

水轮发电机组的建设是由于水力在平面上引起的振动产生的，由于水轮机组在设计状况下产生的震动；以及空腔内部的水轮机旋转引发的涡轮带来的压力脉动：还有水轮机转动部分的固定界面的间隙不均匀产生的压力脉动。以及水里的不均匀产生的不平衡感脉动的情况。水轮机在工作时处于负荷性，由高水性满负荷的运转带来的压力承受值意外，还承受了相当于水力平面的振动和压力脉动的负荷情况。虽然都能引发传统意义上的作用机理是不同可以进行分析鉴别。

水轮机在工作时会产生的脉动经过水流通的活动导致叶面的调整，叶片的出水口方向是固定的。在特地情况下的水管中，叶片前部的水流会产生脱流空转现象。都是产生水利振动的因素。

由于混流情况的水轮机组是采用固定叶片的运作的水利设施，当到页开度处于比较小流量的涡带的开度的运转下，会引发更大程度的震荡，加剧流道中的压力脉动使设备出现故障。

1.2转轮制造技术

随着机器机组的增加，机组尺寸的比例也得到了放大，设计制造方面所导致的机组设备刚度降低，使得固有的频率下降，大型机组更容易诱发共振，由于机组的水利干扰设备更加的混沌而引发的机器效率下降。转轮叶片所采用的技术是上冠和下部比较，平面的面积较大，横截面尺寸相对较低，与转轮接触点较大，容易形成卡槽。运行时的产生的夹渣、气孔等设计缺陷。长时间处在负荷状态的话会造成机器磨损加剧降低机器使用寿命。

1.3在不稳定区域运转

经相关数据表明，国内大部分发生裂纹的大型混流式涡轮转轮的使用不当都是因为叶片的表面产生了裂纹，由于水轮发电机组的停止时间短的特点造成的，在电网中主要负责调度的方面，长时间的不正常运行即高速旋转在备用状态进行运行时，长时间处于压力脉动的作用下的大大增加了转轮出现裂纹的几率。经研究表明，水轮机组在稳定区域和过度运行区域的寿命相差近乎20倍，通过相关的疲劳试验可以看出，叶片上方的部分的磨损情况在禁止运行的区域和最优工时的状况时，两者相差200-300倍。

2　提高大型混流式水轮机稳定性的方法

2.1合理选择水轮机的功率变化范围

混流式水轮机是固定生产的新型的水利机械，转轮的设计和外观都在最大程度的确包水头对于稳定区域的运行范围，为了减少振动的裂隙和对于混流式水轮机的危害，要做到对于大型涡流式水轮机的增幅范围不超过406.8MW，三峡水电厂的变幅也比较大，但采用了有力的措施提高了水轮机的稳定措施，目前在三峡水电厂的水轮机组的运行是非常稳定的，低水头在最大负荷运转下处于平稳的状态，但还是需要经过高水头的运行考察。所以，可以得出大水头的比值和设计水头的比值应该分别控制在1.5和1.2以下。

2.2合理选择水轮机转速

现阶段水轮机组的设计和研究主要靠闲了高比转速的水轮机上去。20世纪的80年代的涡流式水轮机的模型实验中曾发现了一种具有大频率特性的压力脉动的，大部分高能量的负荷压力的特点是频率的转换过于频繁，大约在5倍以下的，流量的最佳工作时间为88%左右。个别情况下的压力脉动的变化复制会高达净水头的30%，该压力下的脉动对于装置的空话系数和下游尾部的变化是十分灵敏的，在水轮机的研究过程中，尾部进水口的到顶部的尾部的管道处均会出现相应的压力脉动过大的情况。还产生该情况的现象在国际上的研究几乎为零，其发生的原理和过程不甚明显。

单纯的减小水轮机的尺寸顺便降低转叶和转轮的比转速是可取的，水轮机组的选择应该遵从当地的水文情况以及水体的变化情况综合分析数据的可调节范围，机组台的运行情况。

2.3统筹调度

大范围流域的水电站群统筹管理工作主要是由大容量的发电机组构成，为了能够使机组更好的避开震荡区域的安全高效的运行，要对全流域内的大型水轮机组统一管理，即当低负荷的电网调度由120MW-250MW时，由大机组进行头筹兼顾的调度，当低负荷运行小时由60MW的机组运行，这样在不同情况下个各个机组的使都能安全的运行，大大的延长了机组的使用寿命。

2.4转轮叶片的出水部位进行调整

卡门涡频率计算公式可以通过减小转轮叶片的出水部位的叶片厚度改善出水部分的形状来改变水流层次的边界以及从叶片上分离出来的位置，以期减少脱离漩涡时强度。出水边的单边小圆轴的过渡段落的进行的实验证明，叶片较小的转轴震动感也较小，水轮机组的出水边的修改调整为30-40度的倒棱角型，都利用其较为强大的修型调整。

3　结束语

我国拥有的水能资源是十分丰富的，水能资源作为新型无污染的可再生资源在世界能源的应用领域中占据的比重逐年增大，虽然近年来我国水电业的发展速度明显加快，但是与我国所拥有的水能资源相比，利用率还是较低，开发利用的潜力还是很大的。混流式水轮机是我国最早投入使用的也是目前应用前景最广阔的机型，我国要加大对于混流式水轮机组的开发和应用，提高对于下一代水轮机的安全运行的范围，提高水轮机的抗疲劳性能将是未来技术的发展的主要目标。

［1］张双全.大型混流式水轮机水力稳定性研究［D］.华中科技大学，2008.

［2］苏文涛.大型混流式水轮机模型内部流动稳定性研究［D］.哈尔滨工业大学，2014.

［3］唐澍，潘罗平.大型混流式水轮机的应用现状与技术发展［J］.水利水电技术，2009（08）：108-112.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.121