混流式水轮机的水力稳定性

【摘 要】本文是笔者根据多年工作经验,并结合相关文献资料,对混流式水轮机的水力不稳定性原因进行了分析,并提出了几点保障水力稳定性对策.

【关 键 词】混流式水轮机；水力稳定性分析；水力共振

前言

我国是电力生产的大国,不仅有数量庞大的火电厂,还有核电站、太阳能发电站、风力发电站等.我国河流众多,水力资源比较丰富,因此水力发电成为我国电力生产的一个重要方式.我国已经修建了许多水库,其中三峡水电站就是最重要代表.水力发电离不开水轮机,水轮机的运行状况直接关系到电能生产的效率和安全.一般来说,主要用三个指标来衡量现代水轮机的质量,即效率、空化和稳定性.效率值得是水轮机对水能的利用程度,空化主要用来衡量水轮机的寿命,稳定性是用来衡量机器运行的稳定情况.目前,人们对于水轮机的效率和空化方面的研究已经比较多了,认识相对来说也比较深入,而对于稳定性的研究却相对比较薄弱,随着机组体积的增大和容量的提高,稳定性的问题变得日益突出,需要我们加大研究力度,认真分析影响机组稳定性的原因,从而保证我国水力发电的顺利进行.

1混流式水轮机水力不稳定性原因分析

1.1卡门涡以及脱流对水轮机稳定性的影响、

卡门涡是一种水流不稳定现象,主要出现于水轮叶片的出水部门,这种现象在最优工况下也会产生,而且只能在产生共振的情况下才会被发现.卡门涡产生时往往会有较大的噪音.人们对卡门涡的认识比较早,经过多年研究,基本上已经掌握了卡门涡产生的规律,有效解决措施主要是修改出水边的形状,因此卡门涡已经较少出现.另外一个因素是脱流,这种现象主要存在于转轮叶片进出口的边缘,其出现有很大的随机性,振幅也没有规律,脱流也会影响机组的稳定性.

1.2水轮机止漏装置中的压力脉冲对机组水力稳定性的影响

水轮机止漏装置比较复杂,尤其是在大型机组中,止漏装置更为复杂,装置之间的缝隙也更小,因此,止漏装置之间的压力差也比较大.当水轮机出现异态运行时,就会形成巨大的压力脉冲,从而影响机器运转的稳定性.另外,如果机器零部件加工不够精细,安装过程中转轮与转轮室之间对接存在较大误差,从而使得水轮机运转不平衡,在水力作用下,转轴就会出现回旋的现象,最终导致整个机组的振动.

1.3水轮机组的振动对机组水力稳定性的影响

水轮机组的振动是影响混流式水轮机水力稳定性的一个重要原因,近年来,由于大型混流式水轮机组的运用,振动问题屡屡出现,而且这种现象不仅仅存在于国产混流式水轮机,也同样存在于进口混流式水轮机,可见这一问题是一个国际性的难题.混流式水轮机在运行过程中出现振动会给机组造成损害,例如会损坏水轮机转轮的叶片,还有可能导致水管出现裂缝,如果振动过大,还会威胁到水库堤坝的安全,尤其是在大型水电站,这种振动问题所造成的危害更加巨大.

1.4转轮设计制造工艺的限制

混流式水轮机是一种科技含量较高的设备,对于制造工艺也有较高的要求,随着科技水平的提高,水轮机的制造水平也有了较大的发展,但是,一些零部件的设计加工仍然难以达到现代水电生产的要求,尤其是随着水轮机组容量的不断扩大,对水轮机转轮的设计制造工艺提出了更高的要求.由于转轮设计制造工艺水平的限制,使得机组的固有频率受到影响,容易产生共振现象.另外,目前的焊接工艺也难以达标,在焊接过程中容易出现夹渣和气孔,使得焊接强度不够,难以抵抗高强度的压力,影响机组的稳定性.

2保障混流式水轮机水力稳定性的对策

2.1统筹调度水轮机组,加强避振运行

改善机组运行情况,提高运行的稳定性,既能保证工作效率,又有效避免共振现象的产生.通过合理配置,统筹兼顾,从而能够避免水轮机组受到共振区的影响,同时还有助于提高机组的使用寿命.通过这种方式可以大大提高水轮机组的稳定性.

2.2合理选择比转速,避免片面追求高参数

高比转速水轮机是水轮机组转轮发展的大趋势,随着科学技术的进步,转轮的转速得到了很大的提高.但是片面追求高转速对于机组的水力稳定性是不利的.为了提高水轮机组水力稳定性,应该适当降低转轮的转速.另外在选择转轮转速的时候,还应该综合考虑多方面的因素,例如水头的变化幅度、水质情况、水轮机负荷范围等.

2.3合理设计电站,减小水头变幅

在设计混流式机组的水电站时应该尽量减小水头的变化幅度,同时尽量提高电站的额定水头,一般来说,最大水头与额定水头的比值应该大于1.2.

2.4因地制宜地选择转轮

转轮有多种类型,不同类型的转轮具有不同的特点.为了提高水轮机组的水力稳定性,应该根据电站的实际情况合理选择转轮.例如,在中水头的水电站应该选择叶片应力较小的多叶片转轮,在高水头水电站则适合选用长短叶片转轮.

2.5对转轮叶片的出水部分进行修复

转轮叶片的形状及其厚度对水轮机的稳定性有较大影响.有研究表明,改变转轮叶片的形状和厚度,可以降低振动和提高卡门涡的频率.由于减小了导致脱流漩涡的强度和频率以及水流在边界上转轮叶片分离的位置,从而可以在一定程度上缓解机组共振.

2.6拓宽负荷调节范围,适当增大发电机容量

当额定水头偏低时,为了改善水轮机在高水头大负荷工况下的稳定性,应该适当增大发电机的容量,拓宽负荷的调节范围[3].

2.7轴心补气

轴心补气是一个消除水轮机尾水管低频涡带引起的共振的有效方法,具体来说就是通过向尾水管的涡带区注入空气来消除共振的方法.这种方法增加了涡带的扩张强度,而且还提高了水的韧性,从而达到缓解或消除振动的效果.

2.8提高水轮机设计制造工艺

首先,提高转轮的设计加工工艺.水轮机转轮是决定水轮机性能的关键部件,因此,提高水轮机转轮设计加工工艺是提升水轮机稳定性重要措施.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.其次,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.第三,提高焊接工艺.确保焊接质量.

3结语

随着大中型混流式水电站的发展,混流式水轮机的应用越来越广泛,随着科技水平的提高,混流式水轮机的性能也日益提高,但是其水力稳定性问题却依然是一个十分棘手的难题,对水力发电事业造成了不利影响.因此,有必要对这一问题进行认真分析研究,并找出相应的解决措施.本文是笔者根据多年工作经验,并结合相关文献资料,针对混流式水轮机的稳定性问题进行了分析,并提出了几点对策,希望能够对问题的解决有所帮助.