大型高水头混流式水轮机的稳定性设计优化

大型高水头混流式水轮机的稳定性设计优化

宋伟瑜

（GE水电中国天津300300）

摘要：随着科学技术的不断创新和进步，受到水电事业的快速进步和改革的影响，使得混流式水轮机的制造和应用迅速发展起来。但是，由于水电机组的容量尺寸不断增大，转速相应提高，水轮机稳定性已成为世界各国水电事业的难题。

关键词：大型高水头混流式；水轮机；稳定性设计

引言

混流式水轮机适应水头广、应用范围宽，在水力发电中广泛使用；随着水电开发的不断进展，混流式水轮机的应用水头和单机容量逐渐增大，稳定性成为非常关注的问题。

图1转轮进口优化

图2转轮叶片进水边优化

图3活动导叶型线优化

图4导叶分布优化

1水轮机稳定性设计优化

1.1转轮优化

（1）适当减少转轮进口直径，增加无叶区距离；同时为保证飞逸转速尽可能低，不能减少太多，通过多次研究计算，确定转轮进口直径减少0.2%。（2）子午面上进水边修型为圆弧形，中间截面处的直径减少2%，平均进口直径减少1.4%。如图1和图2所示，虚线为原设计，实线为优化设计。

1.2 活动导叶优化

（1）优化了活动导叶压力侧的型线，实线是优化后的新型线，它的低压侧型线比较平直，降低导叶后压力场的不均匀性。（2）导叶分布圆直径由7360mm增加至7404mm，增加无叶区距离。

如图3和图4所示，虚线为原设计，实线为优化设计。

2影响混流式水轮机稳定性的因素

（1）机组运行的过程。我们知道不同程度的振动，在混流式水轮机机组的运行过程当中广泛存在，且水轮机的不同程度振动都可能对其正常的工作产生一定影响。当振动太轻时，可能会导致水轮机的机组在运行时不够稳定；当振动太重时，可能会破坏机组以及厂房。另外，振动产生的影响是多方面的，比如水轮机的转轮叶片部分被损坏，水管部分有裂缝产生等。一旦振动过大，甚至还可能会对堤坝以及水库的安全产生威胁，特别是对于那些大型的水电站，由振动所引起的危害会更大。（2）水力因素。在非设计的工况下，由于运行而导致的水轮机的振动。水轮机机组的振动可以被认为是目前影响混流式的水轮机稳定性的非常重要的原因。尤其是近些年以来，水电站的快速发展促进了大型混流式水轮机的普遍应用，进而振动问题的出现，也就屡见不鲜了。不管水轮机的类型怎样，是国内或者是进口的，都可能会在某种程度上出现振动方面的问题。因此振动这一现象，俨然已在国际水电事业的进步发展中成为了一个难题。由尾水管内空腔涡带引起的压力脉动。在特定负荷的情况下，混流式的水轮机在尾水管中会形成一些旋转流动，进而形成尾水管的涡带。因此，随着尾水管中空腔涡带在水轮机机组中引起压力脉动，机组也会出现振动问题。由不平衡的脱流和卡门涡引起的压力脉动。在水轮叶片中，出水的部分通常是出现卡门涡的常见方位，卡门涡在水流现象中属于非常不稳定的一种。即使是工况最优的情况下，这一现象也没有办法被避免，且除非是有共振产生的情况之下，不然这一现象也难以被我们发现。出现卡门涡这一现象时，通常会随之有非常大的噪音。人们对于卡门涡这一现象的认识还是相比较早的，且由于这些年的研究，人们已经熟练掌握了产生卡门涡现象的规律，而解决卡门涡现象的主要方法就是对水边形状进行修改，因此目前卡门涡现象出现得已经比较少了。另一个因素就是脱流，脱流现象主要发生于转轮叶片进出处的边缘部分。脱流现象也往往难以被人们发现，主要是因为这一现象的出现具有非常大的随机性，且其振幅也无规律可循，但脱流现象会对水轮机的稳定性产生影响。（3）转轮的设计与制造。水轮机中的小空隙及止漏装置。装置一般较为复杂，在混流式的水轮机中属于普遍存在的一个特点，特别在制造以及装备一些大型的混流式水轮机时，其中的止漏装置非常复杂，而止漏装置过于复杂之间，相互间的空隙过小，往往会造成在止漏装置间的压力差非常大。这样一旦在水轮机进行异态的运行时，就可能会有非常大的压力脉冲出现，进而影响水轮机机组的水力稳定性。混流式水轮机零部件的焊接水平及加工水平无法达到要求。混流式的水轮机的科技含量通常比较高，对进行设计、制造与加工时的相关工艺方面的要求也就非常严格，且随着目前技术水平在不断提高，制造水轮机的水平也实现较为长足的进步。但是通常来说，水轮机的零部件都比较复杂，对其技术水平方面的要求特别高，因此常常会使得设计和制造的零部件依旧无法满足在实际生产当中的需求。此外由于容量一直在不断扩大，进而对加工工艺和设计制造方面的要求就越来越高，而一旦水轮机的固有频率被影响，就很有可能会引起共振现象。从另一方面来说，当焊接技术没有那么精密和细致时，就会造成机组的焊接强度不够，进而无法抵抗高强度的压力，也会因此影响水轮机机组的水力稳定性。

3提高混流式水轮机稳定性的建议

3.1统筹调度水轮机组和加强避振运行

在水轮机组运行方面，使其得到明显改善，且促进水轮机稳定性有效提高。这样做的原因是，不仅能够保证机组的工作效率，而且会在一定程度上减轻共振现象的发生。通过这种方式，能够合理配置和统筹发展，避免水轮机受到共振区影响的同时，使机组的使用寿命延长，因此具有很多益处。比如万家寨水电站，该水电站共有6台机组，单机容量为180MW，最大、最小、额定水头分别为80m、50m、68m。1-4号水轮机由同一家公司制造，5、6号水轮机由同一家公司制造。6台发电机均由同一家公司制造。1-3号机组为蒙西电网输电、4-6号为山西电网输电。不同负荷、水头的条件下，水轮机的振动不同。叶片出水处下环、上冠处产生裂纹，1-4号转轮相对较重，5-6号较轻。03年起，该水电站实施避振，尾水管处压力脉动值超过8m的负荷区不能再运行，经检验转轮的裂纹大大减小了，并且2、3、6号转轮没有再产生裂纹。

3.2合理选择水轮机转速比

水轮机的转速比是影响机组振动的重要原因之一。为了适应水电站的实际需求，使用高转速水轮机机组转轮已然成为一种趋势。受科技发展的影响，水轮机转轮的转速已经有所提高。但是依然有很多诸如片面追求高转速的情况，其实这对于水轮机的稳定性具有很大的影响。因此，应该适当的降低转速比，才能提高机组稳定性。并且，选择转速还要受到各种因素的制约，如水头变化幅度，水质的情况以及负荷范围等，这些因素都会在一定程度上对稳定性有所影响。

3.3要因地制宜选择转轮

每个水电站的实际情况不一样，这就要求我们要因地制宜，一切从当地实际出发，合理的选择转轮。因为不同类型的转轮会适应不同的实际需求。例如：多叶片的转轮，叶片的应力会比较小，因此适用于中水头的水电站中；而长短叶片的转轮，则适合高水头的水电站中。因此，根据电站实际情况，因地制宜的选择转轮，会在一定程度上提高水力的稳定性。

3.4修复水轮机转轮叶片的出水部分

水轮机的稳定性受多重因素制约，其中转轮叶片的形状和厚度对其有较大影响。曾经有实验研究表明，如果对转轮叶片的厚度和形状进行改变，不但可以有效提高卡门涡的频率，而且可以在一定程度上降低振动。其中原理就是，减小了脱流涡的强度和频率，还有水流在转轮叶片上分离的位置。

3.5提高水轮机设计制造工艺技术

在水轮机运行过程中，转轮的作用显得尤其重要。要想提高水轮机的设计制造工艺：①应该提高转轮的设计工艺。通过数值模拟技术和cdf技术优化转轮设计，在转轮的选材方面也要综合考虑水头变幅、稳定性等情况，尽可能选择优质材料。②优化结构设计。结构对水轮机的稳定性也会产生影响，在结构设计时应该采取避振措施。③要提高焊接工艺，确保焊接质量。

结语

我国的科技水平不断提高，大中型的混流式水电站也越来越多，其应用范围也越来越广泛。虽然科技的提高使得混流式水轮机的稳定性有所发展，但是在实际运行过程中仍是困难重重。

参考文献

[1]葛彬.分析混流式水轮机稳定性的改进[J].低碳世界，2018(29).

[2]谢红军.浅析大型混流式水轮机的稳定性[J].科技视界，2018(24).