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影响混流式水轮机稳定性的主要原因及建议
                             2016/8/24

摘要:混流式水轮机是固定叶片式的水力机械,机组运行稳定性和转转叶片的裂纹是威胁水轮机安全运行的两大问题。该文通过对影响混流式水轮机稳定性的因素进行分析研究,提出提高机组运行稳定性的对策建议。
关键词:水电站;混流式水轮机;稳定运行’
1 前言
“稳定、安全、满发”,是水电站机组普遍追求的目标,也是水电机组的强大优势——低成本、高效益的具体体现。我国水电站大部分为混流式水轮发电机组,由于混流式水轮机结构简单,水头适用范围宽广,制造技术较为成熟,混流式机型已经占据水电站机组的主导地位。混流式水轮机有着强大的生命力,但又存在不可忽视的问题,机组振动和叶片裂纹是目前混流式水轮机稳定运行的焦点。尤其是一些水电站水轮机的振动和裂纹已严重影响了机组的稳定运行和经济效益的发挥。水轮机运行的稳定性,尤其是混流式水轮机的运行稳定性已经成为水轮机学术界讨论的热门话题。
2 影响混流式水轮机稳定性的主要原因分析


2.1水力方面的原因
水轮发电机组由于水力因素引起振动主要有以下几种情况。一是水轮机在非设计工况下运行的振动。当水轮机处于空载、低水头、小负荷、高水头、超负荷大流量的运行状态时,除了承受流体的压力载荷之外,还承受了压力脉动和水力扰动引起的动态载荷的影响。二是尾水管内的空腔涡带产生的压力脉动。由于混流式水轮机是固定叶片式的水力机械,当水轮机偏离最优工况运行时,由于转轮出口水流有一个旋转圆周分速度,使转轮下方靠近尾水管轴线的区域出现较大的真空,当真空达到定数值后便产生空腔气蚀形成涡带,涡带是螺旋形绕尾水管轴线不稳定的旋转,会引起机组振动,并对尾水管产生相当大的破坏作用。三是水轮机转动部分和固定部分间隙不均产生的压力脉动。由于水轮机转动部分和固定部分间隙不均使转轮中心偏离机组中心,转轮圆周各处固定和旋转迷宫环间隙随着转轮的旋转不断变化,间隙内水压也相应变化,沿转轮圆周对水压进行积分,就有一作用在转轮上的横向水压力的合力,该台力总是迫使转轮中心进一步偏离机组中心,加剧振动。四是涡列引起的振动。当水流绕流叶片,由出口边流出时,便会在出口边处产生涡列,从叶片的正面和背面交替出现,形成对叶片交替的冲击。当叶片自振频率与;中击频率相同,便产生共振。五是水力不平衡引起的压力脉动。当流入转轮的水流失去轴对称时,出现不平衡的横向力,于是造成转轮振动。
2.2转轮设计制造方面的原因
随着机组容量的增大,机组尺寸相对增大,由于设计制造方面所导致的机组设备刚度降低,固有频率降低,使大型机组更加容易诱发产生共振或拍振,致使机组由于水力干扰更容易出现水体共振。从大量的混流式机组运行结果看,裂纹大部分发生在叶片出水边和上冠的焊接处及叶片出水边和下环的焊接处。分析其原因有以下几点:一是叶片和上冠、下环的焊接部位,由于采用的是“T”型焊接方式,是空间几何形状突变的位置为应力集中区域,也是疲劳强度最低的部位。二是转轮叶片和上冠和下环比较,平面尺寸较大而横截面尺寸相对较小;与上冠、下环焊接成转轮后刚度最小,在运行时承受交变负荷时容易产生疲劳裂纹。三是叶片出水边相对进水边薄,强度差,在交变负荷作用下最易发生裂纹。四是在转轮焊接过程中由于焊接工艺和热处理不当等因素,产生夹渣、气孔、应力集中等缺陷,在交变负荷作用下将降低疲劳强度和使用寿命。
2.3水轮机运行过程中的原因
目前,国内外发生裂纹的混流式转轮绝大部分都具有典型的疲劳裂纹特征。这是由于水轮发电机组启停时间短的特点,在电网中主要担负系统调峰和调频的作用,长时间运行在旋转备用的状态即长期在非稳定区域内运行,在交变动态载荷和压力脉动的作用下大大增加了转轮出现疲劳裂纹的几率。
3 提高水轮机稳定性的几点建议
3.1合理选择水轮机Hmax/Hmin的变化范围
混流式水轮机是固定叶片式的水力机械,转轮的设计和选型都是确保在设计水头处有比较宽的稳定运行区,为了减小振动和裂纹对混流式水轮机的危害,要求大型混流式水轮机水头变幅不宜过大。有文献建议,水轮机最大水头和设计水头的比值应控制在1.2以下,最大水头与最小水头的比值应控制在1.5以内。
3.2确保水力设计的科学性和合理性
一是合理选取水轮机的比转速。过高的比转速,将削弱水轮机的强度,影响空化及防泥沙磨损的性能,对水轮机稳定性不利。当水轮机稳定性指标不能满足时,应采用较低的比转速,并选择较低的导叶相对高度b。,减小单位流量Q1。二是降低尾水管压力脉动值,控制叶道涡的发生。叶道涡从发生到发展是有一个过程的,在转轮模型试验时就应注意,尽量把叶道涡发生线排除在运行范围之外。尾水管压力脉动值应按不同水头段、不同负荷段分别提出要求。主要运行区域的压力脉动应控制在3%以下;在保证运行范围之内,压力脉动最大值△H/H(混频)不超过7%是不会对机组稳定产生危害的;运行范围之外的其他工况压力脉动值可适当放宽。同时,要避免低负荷时涡带频率与尾水管固有频率发生共振。三是根据电站特点,正确设计转轮叶型。采用扭转叶片或采用大进口直径与小出口直径的水力设计,可使水轮机有较宽的稳定运行区;采用长短叶片,也是适应负荷变化的有效手段;而叶片采用Donalson式的出水边形状,在保证叶片刚强度的前提下可使卡门涡激振能量最小。
3.3优化水轮机转轮的结构设计
一是提高转轮的刚、强度,降低叶片线型应力和局部最大应力。水轮机应有足够的刚、强度,叶片线型应力应控制在100-80MPa,局部最大应力应小于150MPa。叶片出水边与上冠交接处属于高应力区,应适当加大圆弧段直径,以改善应力状况。二是计算出水边卡门涡频率与各部件固有频率,使其不产生共振。三是适当控制叶片数量。转轮叶片数量与稳定性之间虽然没有直接的明确关系,但在一定条件下其影响也是明显的,如频率叶片应力等。四是优化转轮止漏环和泄水锥。转轮上、下止漏环不采用热套或镶套,应直接在上冠和下环母体上车出来,泄水锥与上冠设计成一体,这样转轮的整体性更好。
3.4提高水轮机制造质量
水轮机组的制造质量是水轮机稳定运行的重要保证。提高水轮机制造质量应从材质、铸件工艺、叶片加工工艺、转轮组焊工艺、转轮出厂验收等多方面加强控制。水轮机转轮的上冠、叶片及下环应采用不锈钢;可以有效解决异种钢焊接问题;铸件应采用VOD真空脱氧精炼,以确保铸件质量;叶片应采用五轴数控铣加工,以确保叶型和叶片厚度。转轮出厂验收过程中应重点注意三方面问题:一是叶片之间的重量差,最重与最轻的叶片重量差值应控制在5%以内;二是叶片出水边的厚度和形状;三是转轮的残余应力,最大残余应力应控制在屈服强度的1/2之内。


4 结语
水轮机转轮在水中交变载荷作用下容易产生疲劳裂纹,转轮的设计、制造和运行稳定性影响转轮的寿命。为使转轮有较好的抗裂纹性能,应在水力、机械设计、制造工艺等方面采取措施,必须充分考虑水力设计、结构设计和水轮机设备的制造、安装、运行等多方面的因素,把提高水轮机稳定性这一要求贯穿在水轮机设计、生产和运行的整个工作流程之中。只有这样,才能获得一个优秀的、符合电站情况、运行稳定的水轮机。

峨眉山建南水电设备制造有限公司

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