水輪機穩(wěn)定性探討畢業(yè)設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 水輪機穩(wěn)定性探討 學(xué)生姓名 鄭 航 學(xué) 號 2011309543 專 業(yè) 發(fā)電廠及電力系統(tǒng) 班 級 20113095 指導(dǎo)教師 陳紅梅 評閱教師 陳紅梅 完成日期 2013年12月25日論文/設(shè)計/報告原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文/設(shè)計/報告是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了論文/設(shè)計/報告中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文/設(shè)計/報告不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日 論文/設(shè)計/報告版權(quán)使用授權(quán)書本論文/設(shè)計/報告作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文/設(shè)計

2、/報告的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)論文/設(shè)計/報告管理部門或機構(gòu)送交論文/設(shè)計/報告的復(fù)印件和電子版，允許論文/設(shè)計/報告被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀論文/設(shè)計/報告評選機構(gòu)將本論文/設(shè)計/報告的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文/設(shè)計/報告。本論文/設(shè)計/報告屬于1、 保密 ，在_年解密后適用本授權(quán)書。2、 不保密 。（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 三峽電力職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書（ 2013 - 2014 學(xué)年）課題名稱水輪機穩(wěn)定性探討學(xué)生姓名鄭 航專 業(yè)發(fā)電廠及電力系統(tǒng)班號201

3、13095指導(dǎo)教師陳紅梅指導(dǎo)人數(shù)2課題概述：在水電站運行過程中，水輪機是其重要的設(shè)備之一，如何保證水輪機的穩(wěn)定是保證水電站正常運行的主要保障，但在實際運行當(dāng)中，水輪機的穩(wěn)定性還需要對機組運行的穩(wěn)定性和葉片的裂紋問題進行研究，以減少水輪機安全運行的隱患。本課題通過對影響水輪機穩(wěn)定性的因素進行分析研究，提出了提高機組運行穩(wěn)定性的對策建議。一、設(shè)計任務(wù)水輪機穩(wěn)定性探討二、設(shè)計目的1通過設(shè)計，加深對水輪發(fā)電機組知識理解、鞏固和提高學(xué)過的理論與專業(yè)知識，并予以適當(dāng)?shù)纳罨?. 通過本次設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識，解決具體問題的能力。3學(xué)會在接到項目時如何搜集和查閱資料、進行方案論證與設(shè)計、總結(jié)設(shè)

4、計成果，撰寫學(xué)術(shù)論文等，為今后工作打下良好基礎(chǔ)。三、完成成果1開題報告一份2設(shè)計論文一份3. 長江干流圖一份4. 結(jié)論一份四、設(shè)計完成時間：2014.3.30之前完成設(shè)計及論文撰寫參考資料及文獻（包括指定給學(xué)生閱讀的外文資料）：1 2 關(guān)于水輪機穩(wěn)定性問題探討3 向家壩巨型混流式水輪機運行穩(wěn)定性研究4 水輪機穩(wěn)定運行的分析研究5 隔河巖電站1號水輪機水力穩(wěn)定性的若干問題研究6 老江底水電站水輪機水力穩(wěn)定性分析7 公伯峽水電站水輪機穩(wěn)定性的優(yōu)化措施8 三峽水電廠21號水輪機穩(wěn)定性試驗設(shè)計（論文）成果要求：1、開題報告： 2500 字2、說 明 書： 1000 字3、圖 紙： a4 號4、實習(xí)報告

5、： 5000 字5、論 文：>=6000字6、其 它：按要求提供論文及論文全文電子文檔進度計劃安排起止日期要求完成的內(nèi)容及質(zhì)量1、2013年春季學(xué)期（2013.6.15-2013.6.22）下達畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)習(xí)畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及有關(guān)規(guī)定閱讀指定的參考資料及文獻。完成開題報告。2、2013.6.23-2013.10.10閱讀指定的參考資料及文獻，撰寫論文3、2013年秋季學(xué)期（2013.10.10-2013.12.10）提交畢業(yè)設(shè)計（論文）成果（包括紙質(zhì)文本和電子文本）。完成畢業(yè)設(shè)計，全部成果交指導(dǎo)教師批閱。4、2014年春季學(xué)期（2013.2.28-2014.3.10）5、

6、2013年秋季學(xué)期（2014.3.10-2014.3.20）6、2013年秋季學(xué)期（2014.3.20-2014.3.30）指導(dǎo)老師按規(guī)范要求對畢業(yè)設(shè)計（論文）進行形式審查。評閱教師批閱畢業(yè)設(shè)計（論文）成果畢業(yè)答辯審核（系主任）批準（院長）畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目 水輪機穩(wěn)定性探討 學(xué)生姓名 鄭航 學(xué) 號 2011309543 專 業(yè) 發(fā)電廠及電力系統(tǒng) 班 級 20113095 指導(dǎo)教師 陳紅梅 完成日期 2013年12月25日 一、課題名稱、來源、目的和意義1、論文名稱 水輪機穩(wěn)定性探討2、論文來源 三峽電力職業(yè)學(xué)院3、目的和意義隨著發(fā)電機組單相容量的提高，機組尺寸的逐步增大，比轉(zhuǎn)速的

7、不斷提高，相對剛度的減弱，人們對于大型水輪機的運行穩(wěn)定性日益重視，同時，隨著技術(shù)的高速發(fā)展，機組運行的自動化程度越來越高，無人值班，少人值守，遠程控制的水電廠日益增多，對機組運行穩(wěn)定性的要求亦日趨嚴格。在水輪機穩(wěn)定性探討中，我們有成功的經(jīng)驗，也有失敗的教訓(xùn)，經(jīng)驗和教訓(xùn)都將豐富系統(tǒng)工程的理論，也給后人提供了一個典型的案例。在水電站運行過程中，水輪機是其重要的設(shè)備之一，如何保證水輪機的穩(wěn)定是保證水電站正常運行的主要保障，但在實際運行當(dāng)中，水輪機的穩(wěn)定性還需要對機組運行的穩(wěn)定性和葉片的裂紋問題進行研究，以減少水輪機安全運行的隱患。通過設(shè)計，我加深了對水輪機發(fā)電機組知識理解、鞏固和提高學(xué)過的理論與專業(yè)

8、知識，并予以適當(dāng)?shù)纳罨?。二、國?nèi)現(xiàn)狀目前，國內(nèi)特大型混流式水輪機發(fā)電機組發(fā)展迅速。舉世矚目的三峽水電站單機容量達700mw的機組現(xiàn)已投產(chǎn)發(fā)電，這是我國水電機組發(fā)展史上一個新的里程碑。溪洛渡、向家壩、拉西瓦、小灣、龍灘等一批水電站的700mw級特大型混流式機組也陸續(xù)投入使用。水電作為可再生能源在世界能源中占有越來越重要的位置，雖然近年來我國水電開發(fā)進程明顯加快，但總體來看，我國水能資源利用率還比較低，開發(fā)利用潛力很大，繼續(xù)加強水電建設(shè)、合理利用水能資源是保障我國能源供應(yīng)的重要措施。三、研究內(nèi)容近些年來，由世界一些著名水輪機生產(chǎn)廠家制造的一些國內(nèi)外大型混流式水輪發(fā)電機組，雖然都是采用現(xiàn)代水力仿真手

9、段設(shè)計優(yōu)質(zhì)的材料和先進的加工工藝制造而成，但大多都出現(xiàn)了不同程度的壓力脈動和振動，并在運行初期都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪裂紋，特別是在高水頭區(qū)域運行時，機組的振動明顯增大。這些問題的出現(xiàn)，使機組的安全穩(wěn)定運行受到嚴重威脅，并給電站帶來了明顯的效益損失。水輪機是水力發(fā)電廠的心臟，它將誰的能量轉(zhuǎn)化為機械能，其運行穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個水電廠的經(jīng)濟型、安全性和可靠性。在水輪發(fā)電機組運行中，影響其穩(wěn)定性的因素很多，也很復(fù)雜，它與一般旋轉(zhuǎn)機械不同，往往是流體、機械、電磁等諸多因素的綜合作用。比如電磁方面的因素，由于發(fā)電機電磁設(shè)計不良引起的磁力不平衡以及定、轉(zhuǎn)子圓度誤差較大，空氣間隙不均勻等因素的影響，會造成機組運行不穩(wěn)

10、定。再比如機械方面的因素，對于大型水輪發(fā)電機組，由于受到運輸條件等的限制，水輪機轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機定子采取分辨運輸，現(xiàn)場組焊；發(fā)電機轉(zhuǎn)子采取分零部件運輸，現(xiàn)場組裝。因此，可能會造成水輪機轉(zhuǎn)輪，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極、及轉(zhuǎn)子支架的重量偏差，引起重量不平衡，當(dāng)機組旋轉(zhuǎn)運行時，就會產(chǎn)生不平衡力，進而引起重量不平衡，當(dāng)機組旋轉(zhuǎn)運行時，就會產(chǎn)生不平衡力，進而引起機組振動。但對于中小型機組，水輪機轉(zhuǎn)輪，發(fā)電機定子，轉(zhuǎn)子一般可以再制造廠加工好后整體運輸，因而該因素的影響可大大減少。然而最重要的是水力方面的因素。包括：尾水管引起的壓力脈動，當(dāng)機組在最優(yōu)工況運行時，轉(zhuǎn)輪出口水流應(yīng)是近法向流出，此時，轉(zhuǎn)輪出口水流不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)

11、水輪機偏離最優(yōu)工況運行時，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流以及脫流漩渦和氣蝕等的影響，在尾水管內(nèi)常引起水壓的脈動；水輪機轉(zhuǎn)輪的壓力脈動，其中包括卡門渦街引起的振動，轉(zhuǎn)輪進口引起的壓力脈動等；還有固定導(dǎo)葉尾部的紊流引起的振動，當(dāng)流水中放置了物體時，只要其水流不是層流，在物體尾部就會產(chǎn)生具有尾渦的紊流；蝸殼鼻端與轉(zhuǎn)輪葉片相互作用引起的振動，對于高水頭魂流式水輪機，其蝸殼鼻端需要一定的厚度，起隔流作用，將壓力鋼管末端的水流和流到蝸殼末端的水流分開，由于高水頭水輪機蝸殼內(nèi)流速較大，水流在我可內(nèi)的摩擦損失亦較大，致使上述兩股不同能量的水流在蝸殼鼻端后面相遇時，引起強烈尾渦；流到的非對稱性引起的振動，由于加工手段

12、和精度的問題，造成蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片的不均勻或不對稱，以及轉(zhuǎn)輪偏車產(chǎn)生的密封間隙不均勻等，除了會引起水壓的脈動外，還會引起轉(zhuǎn)輪的橫向或縱向振動；軸流式機組的狹縫射流，在軸流式水輪機中，由于轉(zhuǎn)輪葉片的工作面和背面存在著壓力差，在輪葉外援和轉(zhuǎn)輪室之間的狹窄縫隙中，形成一股射流，其速度很高，壓力很低，在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過程中，形成對轉(zhuǎn)輪室壁的周期性壓力脈動，從而產(chǎn)生振動，導(dǎo)致疲勞破壞；軸流機組的葉片扭矩及變形，當(dāng)運行工況偏離最優(yōu)區(qū)時，定漿式機組轉(zhuǎn)輪葉片沖角會發(fā)生變化，或當(dāng)轉(zhuǎn)槳式機組協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確時，轉(zhuǎn)輪葉片不再具有無撞擊進口，水流對葉片就會產(chǎn)生沖擊；氣蝕引起的振動，水輪機長期運行氣蝕嚴重時，轉(zhuǎn)輪葉片沖角變

13、化較大，使葉片產(chǎn)生強烈的脫流漩渦，一方面惡化氣蝕現(xiàn)象，另一方面引起轉(zhuǎn)動部分及尾水管的振動；其他原因，如不合理的運行方式，尤其是偏離額定水頭較遠帶負荷運行。隨著機組尺寸和容量的增大、比轉(zhuǎn)速的提高，大型混流式機組水力穩(wěn)定性問題俞顯突出。針對巖灘、五強溪等機組出現(xiàn)的水力穩(wěn)定性問題，有關(guān)制造廠及研究機構(gòu)開展了尾水管壓力脈動引起的水力穩(wěn)定性預(yù)測研究、混流式水輪機部分負荷下水力穩(wěn)定性試驗研究以及高水頭大負荷轉(zhuǎn)輪前中頻壓力脈動等測試和消除方法研究等等，積極預(yù)防或減輕水力振動的發(fā)生，提高水輪機的運行穩(wěn)定性。針對現(xiàn)階段對施工期混凝土拱壩壩體變形變化規(guī)律的研究，由于施工期混凝土所釋放的水化熱較多，確定了用壩體澆筑

14、高程表征對壩體變形的影響。由于1992年巴基斯坦塔貝拉電站440mw機組和2009年俄羅斯薩陽舒申斯客電站640mw機組相繼出現(xiàn)了重大事故，三峽機組采用了諸多技術(shù)設(shè)施，無論是額定水頭為80.8m的14臺左岸電站水輪機，還是額定水頭為85m的12臺右岸電站水輪機，迄今運行良好。但三峽機組在電網(wǎng)實際運行中，由于國家調(diào)度體制上的原因，不能充分發(fā)揮“最大容量”的設(shè)計能力，未能實現(xiàn)“保證安全運行”并“多發(fā)電量”的效果。三峽、大古力、伊泰普等水電站都規(guī)定在60%額定出力以上的區(qū)域運行，實際上伊泰普水電站幾乎是在80%額定出力以上的區(qū)域運行，機組運行負荷沒有大起大落的變化。由于模型試驗時的壓力脈動與原型機運

15、行時并無確定的相似關(guān)系，所以在試運行中考察真機的穩(wěn)定運行性能，并在長期運行中堅持按分區(qū)運行的要求進行調(diào)度是十分必要的。影響水輪機運行穩(wěn)定性的因素很多，它包括電磁、機械、水力等諸多因素，其中水力穩(wěn)定性是關(guān)鍵因素，如葉道渦、卡門渦、尾水管渦帶、空化等。對水輪機穩(wěn)定性具體要求：不產(chǎn)生高部分負荷壓力脈動；尾水管壓力脈動滿足要求；導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前區(qū)域（無葉區(qū)）壓力脈動滿足要求；在水輪機長期連續(xù)安全穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，不允許存在初生葉道渦流和葉片出水邊可見門渦；葉片進口邊負壓面初生空化線和正壓面初生空化線不能進入水輪機長期連續(xù)安全穩(wěn)定運行范圍內(nèi)。四、課題研究計劃階段任務(wù)時間論文準備收集并閱讀水輪機穩(wěn)定性的文獻資

16、料2013.6.15-2013.6.22論文撰寫論文撰寫2013.6.23-2013.12.25論文答辯論文答辯2013.12.25-2014.3.30五、參考文獻1 關(guān)于水輪機穩(wěn)定性問題探討 張鍇 2 水輪機穩(wěn)定運行的分析研究 岳高峰 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準研究所3水輪發(fā)電機組的安裝與檢修 盛國林 目 錄摘 要 1前 言 21水輪發(fā)電機組綜述 31.1水輪機概述 31.2反擊式水輪機 31.3 沖擊式水輪機 42 水輪機運行穩(wěn)定性綜述 42.1 水輪機運行穩(wěn)定性現(xiàn)狀 52.2 水輪機運行穩(wěn)定性研究方法 63 水輪機穩(wěn)定性評估 73.1 水輪機尾水管水壓脈動機理 73.2 水輪機水輪機振動分析 9

17、4 水輪機運行的穩(wěn)定性 103.1 電氣方面 113.2 機械方面 123.3 水力方面 125 提高水輪機穩(wěn)定性 135.1 水輪機hmax/hmin的變化范圍 135.2 水力設(shè)計的科學(xué)性和合理性 135.3 水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 145.4 水輪機制造質(zhì)量 145.5 制造工藝和檢修質(zhì)量 145.6 尾水管渦帶引起的振動 15結(jié) 論 17致 謝 18參考文獻 19水輪機穩(wěn)定性探討學(xué) 生：鄭 航指導(dǎo)教師：陳紅梅教學(xué)單位：三峽電力職業(yè)學(xué)院摘要：全世界能源陷入了緊張的危機，我國也不例外，能源的緊缺導(dǎo)致了煤荒、電荒的發(fā)生。目前我國電能來源以水電站占據(jù)大部分，在水電站運行過程中，水輪機是其重要的設(shè)

18、備之一，如何保證水輪機的穩(wěn)定是保證水電站正常運行的主要保障，但在實際運行當(dāng)中，水輪機的穩(wěn)定性還需要對機組運行的穩(wěn)定性和導(dǎo)葉的裂紋問題進行研究，以減少水輪機安全運行的隱患。為此，就水電站機組運行穩(wěn)定性的問題進行了研究，提出了優(yōu)設(shè)計、加強制造和檢修質(zhì)量的控制、消除尾水管渦帶引起的振動等行之有效的措施。本文重點分析了水輪機能量、空化和穩(wěn)定性，并把水力穩(wěn)定放在首位，同時展望我國水輪的發(fā)展方向。水輪機的水力不穩(wěn)定問題具有一定的普遍性。原因是多方面的表現(xiàn)形式也多種多樣。因為它直接關(guān)系到機組運行的可靠性、電廠的企業(yè)效益、電網(wǎng)的安全和整體效益以及社會效益等多方面因素，所以不容忽視。從目前國內(nèi)外存在的問題分析其

19、原因。電站建設(shè)條件苛刻客觀存在，如運行水頭變幅太大、運行工況不佳等，但與水輪機的設(shè)計、制造技術(shù)也密不可分。近些年來由世界一些著名水輪機生產(chǎn)廠家制造的一些國內(nèi)外大型混流式水輪發(fā)電機組。雖然都是采用現(xiàn)代水力仿真手段設(shè)計、優(yōu)質(zhì)的材料和先進的加工工藝制造而成，但大多都出現(xiàn)了不同程度的壓力脈動和振動。并在運行初期都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪裂紋。如國外的大古力iii、古里ii等，尤其是塔貝拉電站14臺機組均出現(xiàn)了不同程度的振動和裂紋。我國的巖灘、五強溪以及剛運行不久的二灘、李家峽、小浪底、大朝山等電站轉(zhuǎn)輪葉片也均出現(xiàn)了裂紋。特別是在高水頭區(qū)域運行時，機組的振動明顯增大。這些問題的出現(xiàn)，使機組的安全穩(wěn)定運行受到嚴重威脅，

20、并給電站帶來了明顯的效益損失。關(guān)鍵詞：水輪機、穩(wěn)定運行、振動前 言在非設(shè)計工況下，水輪機過流部件的壓力脈動和由匪力脈動誘發(fā)的振動及振動區(qū)域的大小程度，以及由電磁和機械的原因引起的振動程度、功率擺動的程度、水輪機的噪聲等。因此，水輪機穩(wěn)定性應(yīng)廣義理解為水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定性。由此可見，水輪機運行的穩(wěn)定性也是水輪機的一項很重要的性能。在水電站設(shè)計中，必須把水輪機的穩(wěn)定性與其能量指標(biāo)、空蝕性能一并作為選擇水輪機的三大要素加以綜合參考。近年來有不少大型水輪機投入運行，如二灘電站550mw機組、李家峽電站400mw機組、巖灘與小浪底電蛄300 mw機組等。但是不少大型水電機組在運行穩(wěn)定性方面出現(xiàn)不少問題，

21、機組振動較大、葉片裂紋、甚至引起廠房振動，影響機組與電站安全運行。尤其是，有些大型水電站機組運行方式欠佳。機組經(jīng)常處于空載調(diào)壓和空轉(zhuǎn)備用進行狀態(tài)，負荷變化頻繁，甚至帶較小負荷運行，致使機組長期處予不合理的工況下運行，造成水輪機破壞嚴重。因此，針對目前電網(wǎng)調(diào)度實際情況，饕求水輪機具有較寬的穩(wěn)定運行范圍。在水電站設(shè)計工作中，也必須采取相應(yīng)措施，以優(yōu)化水輪機運行穩(wěn)定性。對于我國大部分的水電站來講，混流式水輪發(fā)電機是各水電站的重要設(shè)備，混流式水輪機以其簡單、高效、制造工藝成熟等諸多優(yōu)點成為各水電站低成本、高效益穩(wěn)定運行的重要保障?；炝魇桨l(fā)電機以其強大的優(yōu)勢占據(jù)著水電站機組的主導(dǎo)位置，但混流式水輪機還存

22、著自身無法克服的弱點?；炝魇剿啓C機組的振動和葉片的裂紋已成為威脅機組安全的重要隱患，嚴重阻礙了水電站的經(jīng)濟效益的發(fā)揮。所以對混流式水輪機運行的穩(wěn)定性進行研究已刻不容緩。1 水輪發(fā)電機組綜述1.1 水輪機概述水輪機是一種將河流中蘊藏的水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能的原動力。水流流過水輪機時，通過主軸帶動發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化成電能。根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換水流能量方式的不同，水輪機分成兩大類：反擊式水輪機和沖擊式水輪機。反擊式水輪機包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式水輪機；沖擊式水輪機分為水斗式水輪機、斜擊式水輪機和雙擊式水輪機。水輪機類型及應(yīng)用水頭范圍類 型形 式適應(yīng)水頭（m）反擊式水輪機混流式（hl）混流式20

23、-700混流可逆式80-600軸流式(zl)軸流轉(zhuǎn)槳式(zd)3-80軸流定槳式(zz)3-50斜流式(xl)斜流式40-200斜流可逆式40-120貫流式(gl)貫流轉(zhuǎn)槳式(gz)1-25貫流定槳式(gd)沖擊式水輪機水斗式(cj)40-1700斜擊式(xj)20-300雙擊式(sj)5-1001.2 反擊式水輪機1.2.1 混流式水輪機混流式水輪機水流從四周沿徑向進入轉(zhuǎn)輪，然后近似以軸向流出轉(zhuǎn)輪。結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定且效率高，是應(yīng)用最廣泛的一種水輪機。1.2.2 軸流式水輪機軸流式水輪機水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間由徑向流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動，而在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流保持軸向流動。根據(jù)其轉(zhuǎn)輪葉片在運行中能否轉(zhuǎn)動

24、，又可分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式兩種。軸流定槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的，因而結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，適用于出力較小以及水頭變化幅度較小的水電站。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片可以根據(jù)運行工況的改變而轉(zhuǎn)動，從而擴大了高效率區(qū)的范圍，提高了運行的穩(wěn)定性。1.2.3 斜流式水輪機斜流式水輪機水流在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)沿著與主軸成某一角度的方向流動，其轉(zhuǎn)輪葉片大多做成可轉(zhuǎn)的形式。1.2.4 貫流式水輪機貫流式水輪機是一種流到近似為直筒狀的臥軸式水輪機，它不設(shè)飲水蝸殼，葉片可做成固定的和可轉(zhuǎn)動的兩種。根據(jù)發(fā)電裝置形式的不同，全貫流式和半貫流式兩類。1.3 沖擊式水輪機沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水

25、流在進入水輪機之前已轉(zhuǎn)變成高速自由射流，該射流沖擊轉(zhuǎn)輪的部分葉片，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的急劇改變，從而將其動能大部分傳遞給輪葉。1.3.1 水斗式水輪機水斗式水輪機亦稱切機式水輪機。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉(zhuǎn)輪周圍切線方向垂直沖擊輪葉。1.3.2 斜擊式水輪機斜擊式水輪機，水流從轉(zhuǎn)輪的一側(cè)進入轉(zhuǎn)輪葉再從另一側(cè)流出輪葉，與水斗式相比，其流量較大，但效率較低。1.3.3雙擊式水輪機從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉(zhuǎn)輪葉片上。這種水輪機的結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，但效率低、轉(zhuǎn)輪葉片強度差。2 水輪機運行穩(wěn)定性綜述水輪機的主要特性有三個：即能量特性，抗空蝕特性和水力穩(wěn)定性。這三個特性是水輪機性

26、能評估，投標(biāo)、采購、驗收和維護運行最主要的三個指標(biāo)，是科研人員研究最深入最廣泛的課題，也是水輪機用戶最關(guān)注的指標(biāo)參數(shù)。這三個特性指標(biāo)是水輪機內(nèi)在表現(xiàn)特征，是研究水輪機穩(wěn)定性的關(guān)鍵出發(fā)點。2.1 水輪機運行穩(wěn)定性現(xiàn)狀早在上世紀 5080 年代就出現(xiàn)了不少大型水輪機水力穩(wěn)定性很差的問題，引起水輪機穩(wěn)定性差主要的原因是這些水輪機的尺寸巨大，相對剛度低，運行水位條件惡劣等，隨著水輪機的使用年代越來越久遠，不穩(wěn)定性問題呈現(xiàn)出的危害性也越來越明顯。這在國內(nèi)和國外的許多案例中都能得到充分體現(xiàn)。在國外，出現(xiàn)水輪機水力不穩(wěn)定問題比較典型的事例是巴基斯坦的塔貝拉水電站。塔貝拉水電站是巴基斯坦最大的水電站，總裝機容

27、量3510mw。第二電廠裝有4 臺440mw 水輪機，其運行水頭變化幅度是大型混流式水輪機之最。其中有兩臺水輪機在投產(chǎn)不到半年的時間，因水力不穩(wěn)定問題，出現(xiàn)共振損壞，被迫停機修復(fù)一年，修復(fù)32 項后在補氣系統(tǒng)的支持下正常運行。具體情況如下：第二電廠的14 號水輪機在1992 年5 月開始運行，13 號水輪機在1992 年7 月開始運行，兩個水輪機分別在運行4194h 和2670h 后，因事故被迫停機。事后據(jù)電廠人員分析，初期水庫水位較低，電站水頭也較低，約為100m，在這種情況下水輪機運行正常。此后，由于水庫水位上升，在水位達到457.2m 時，電站水頭隨之增高，水輪機運行振動開始增大，運行部

28、門檢測到噪聲、振動不正常，但是加拿大制造及安裝商認為這是大水輪機運行過程中的正?，F(xiàn)象，沒有做出任何處理。隨后，現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)尾水管進入孔的廊道內(nèi)，出現(xiàn)尾水管椎管壁漏水現(xiàn)象。兩臺水輪機相繼停機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)：在尾水管椎管段，靠進口處沿水平方向有數(shù)條裂紋，每條長度不到1m，總長度約為34m；座環(huán)和低環(huán)的52 個連接螺栓松動；經(jīng)超聲波探傷，靠近上冠的轉(zhuǎn)輪葉片進口邊有裂紋。這次事故事后分析主要原因有：電站運行水頭變幅很大，水輪機的尾水管在高水頭工作時候產(chǎn)生渦帶，并且在部分負荷區(qū)渦帶有擴大趨勢；在高水位部分負荷運行區(qū)里，轉(zhuǎn)輪進水邊沖角的增大使得水流在葉片負壓側(cè)形成渦流，在葉片上誘發(fā)了振動；尾水椎管的選材也存

29、在問題，用的是抗疲勞強度差的奧氏體鋼板。表1中舉了幾個國內(nèi)外比較典型的出現(xiàn)水輪機穩(wěn)定性問題的水電站：表1 國內(nèi)外出現(xiàn)水輪機穩(wěn)定性問題的水電站電站名稱國家總裝機容量（mw）穩(wěn)定性問題的具體表現(xiàn)古里水電站委內(nèi)瑞拉10300振動、空蝕嚴重大古力水電站美國6809振動、空蝕嚴重，發(fā)生定、轉(zhuǎn)子碰撞事故菩彥-舒申斯克水電站俄羅斯6400發(fā)生廠房破壞，機毀人亡重大事故大朝山水電站中國云南1350卡門渦產(chǎn)生蜂鳴，葉片出現(xiàn)裂紋小浪底水電站中國河南1800異常噪聲，大軸抖動劉家?guī)X水電站中國甘肅1200磨損嚴重、水輪機出力不足三門峽水電站中國河南1200磨損嚴重、效率低天生橋一級水電站中國貴州1200正常蓄水位水輪

30、機振動區(qū)向大負荷區(qū)轉(zhuǎn)移以上可見，水輪機出現(xiàn)穩(wěn)定性問題的現(xiàn)象十分普遍，表現(xiàn)形式基本上是水輪機振動增大，一旦水輪機出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，水電站正常運行發(fā)電就會受到影響，嚴重時水電站可能遭受巨大的損失和災(zāi)難。因此，防范、消除水輪機可能存在的不穩(wěn)定問題，保證水輪機在安全、穩(wěn)定的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)在任何情況下都是迫在眉睫，刻不容緩的。2.2 水輪機運行穩(wěn)定性研究方法水輪機穩(wěn)定性問題的研究一直以來是一道世界性難題，它的復(fù)雜性在于水輪機穩(wěn)定涉及到水力，機械和電氣等多個因素，由這些因素共同作用。20 世紀50 年代到現(xiàn)在，國內(nèi)外許多科研單位和專家學(xué)者對水輪機穩(wěn)定性都做了大量的理論和實踐研究，取得了顯著的研究成果。水輪機振動

31、水平是評判水輪機運行穩(wěn)定性的重要標(biāo)準。影響水輪機振動的因素很多，主要包括機械，電磁和水力，它們是引起水輪機振動的主要激振載荷。水力原因引起的水輪機振動主要有：尾水管渦帶、轉(zhuǎn)輪葉片的沖擊、卡門渦以及流道中的不均勻流體。機械原因引起的振動主要有：轉(zhuǎn)動部件的偏心和軸承間隙大小不均。電氣原因引起的振動主要有：磁拉力的不均勻、定子極頻轉(zhuǎn)動以及發(fā)動機定子與轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻等。水輪機振動的研究方法有很多。較常用到的方法是有限元分析法，結(jié)合振動理論與水輪機軸系振動的特點，利用有限元分析法計算水輪機軸的固有振動頻率和振動幅值。根據(jù)實際的振動分析了整個水輪機軸發(fā)生超標(biāo)振動的可能性，進而總結(jié)了水輪機振動的變化規(guī)律。

32、綜上所述，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)從模型試驗、真機試驗和理論研究這三個方面對水輪機穩(wěn)定性進行了大量有效的研究，研究成果顯著。在我國，水輪機的穩(wěn)定性問題一直都是業(yè)界的研究重點，科研工作人員投入了大量的精力，也取得了很多的成績，但擺在面前的困難依然還很多，主要困難集中在水輪機穩(wěn)定運行的理論創(chuàng)新上。3 水輪機穩(wěn)定性評估水輪機穩(wěn)定性問題的評估辦法通常用振動、擺度和水壓脈動這三個指標(biāo)來衡量。振動是描述水輪機部件空間上的形狀變化和速度特征。擺度是描述軸線往復(fù)運動距離大小的程度。脈動是描述水輪機內(nèi)部流體壓力狀況。國內(nèi)外眾多的實驗研究表明，造成大型混流式水輪機運行不穩(wěn)定的因素主要有3 個：即水力因素、電氣因素和機械

33、因素。其中水力不穩(wěn)定現(xiàn)象廣泛存在于混流式水輪機中，其表現(xiàn)形式有多種：如尾水管渦帶、高部分負荷壓力脈動和水力自激振動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。水力不穩(wěn)定是水輪機穩(wěn)定性問題存在的內(nèi)在因素，也是引起其他不穩(wěn)定性表現(xiàn)的根本原因。振動也是影響限制水輪機運行的一大因素，強烈的振動不僅影響水輪機的正常運行，縮短零部件的使用壽命，而且會使發(fā)電機的輸出功率產(chǎn)生振蕩，引起共振時將會產(chǎn)生巨大的危險。水輪機的振動問題十分復(fù)雜，雖經(jīng)過大量的長期的研究，對水輪機準確預(yù)測和完善解決依舊比較困難，同時水輪機行業(yè)也缺少對大型水輪機的振動穩(wěn)定性判定的標(biāo)準和依據(jù)。3.1 水輪機尾水管水壓脈動機理尾水管渦帶是混流式水輪機在部分負荷工況下的一種必

34、然現(xiàn)象，它是影響水輪機振動的重要因素之一。尾水管渦帶壓力脈動的烈度在工程上用h/h 相對值表示。流道壁內(nèi)壓力脈動是水流內(nèi)部絮動在邊界上的反應(yīng)，流體中流速脈動和壓強脈動之間的關(guān)系是探討壓力脈動的基礎(chǔ)。通過n-s方程的散度運行，可以得到脈動壓強的基本方程式：上式中：表示脈動壓強；表示流道壁截面上的速度分量；表示流道壁截面上的兩個位移方向。根據(jù)公式可以看出，壓力脈動來自流速的脈動。上式右邊的第一項表示的是速度梯度項，由剪切力和流速脈動的相互作用引起的，被稱為“絮動剪切”項。第二項是脈動的作用，稱之為“絮動絮動”項。以上兩項反映了絮流壓力脈動的本質(zhì)。上式還能看出：瞬時壓力脈動僅與該瞬時流場的運動特性有

35、聯(lián)系，與流體的特性，如粘性、重力等不以顯函數(shù)出現(xiàn)。以上即是壓力脈動產(chǎn)生原理。尾水管主要有彎肘形尾水管和直錐形尾水管兩個類型。國內(nèi)大型水輪機一般采用的是彎肘形尾水管，彎肘形尾水管有以下特點：經(jīng)濟實用、挖掘深度小，并且能較好回收轉(zhuǎn)輪出口能量。彎肘形尾水管由三部分組成：出口擴散管、進口錐管和彎型肘臂，如圖所示。目前研究表明，尾水管壓力脈動是混流式水輪機以及軸流定漿式水輪機中普遍的現(xiàn)象，對絕大多數(shù)水輪機的穩(wěn)定運行構(gòu)成巨大威脅。彎肘形尾水管示意圖尾水管壓力脈動在部分負荷時由尾水管渦帶引起。尾水管渦帶的產(chǎn)生還與導(dǎo)葉開度有關(guān)。在導(dǎo)葉開度為40%70%或者最優(yōu)流量的30%80%的范圍內(nèi)產(chǎn)生。水輪機中尾水管的水

36、壓脈動在所有壓力脈動中最大，是造成出力擺度和水輪機振動的最主要的根源，基本上可以認為尾水管的壓力脈動特征代表著水輪機穩(wěn)定性的指標(biāo)。水輪機穩(wěn)定問題原型試驗以直接研究水壓脈動信號值為依據(jù)，這種方法十分簡單有效。水壓脈動研究內(nèi)容分為兩個方面：水壓脈動的幅值變化和水壓脈動的頻譜組成。在原型水輪機試驗中，小負荷和部分負荷的壓力脈動存在峰值帶，并且在水輪機的特定部位，如蝸殼進出口、尾水管等部位會出現(xiàn)大的壓力脈動幅值。雖然有些壓力脈動的幅值不大，但頻率與水輪機共振十分接近，其危害程度可能更大一些。因此在考慮壓力脈動引起的水力不穩(wěn)定的同時，也要把水輪機的振動、擺度考慮在內(nèi)。對水壓脈動的頻率分析一般包括渦帶頻率

37、分析和轉(zhuǎn)頻、倍頻頻率分析。3.2 水輪機振動分析水電界的振動不能簡單等同于物理力學(xué)中的振動。這里說的振動泛指水輪機部件的機械振動和擺度，其中也包括共振和自激振動狀態(tài)下的振動。水輪機在運行過程中產(chǎn)生振動受到水力、機械和電磁三個因素的影響。當(dāng)水流振動激起水輪機，特別是上、下機架振動時，會導(dǎo)致發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子間的空隙發(fā)生變化，從而影響水輪機內(nèi)部電磁力的劇烈變化，產(chǎn)生電磁拉力、電磁阻尼等。同樣地，當(dāng)轉(zhuǎn)動部件的運動情況出現(xiàn)變化時，又反過來對過流部件產(chǎn)生作用力，對流道里的流體產(chǎn)生影響。所以說，水輪機的振動是水力、機械和電磁三個因素耦合作用的結(jié)果。水輪機振動可以分為常見振動與異常振動。常見振動是由不可避免的

38、因素引起：1、水輪機中的不平衡力；2、尾水管中的渦帶壓力脈動。常見振動在任何水輪機中都是存在的，它不能被消除，只需要被控制在合理的范圍之內(nèi)，保證它的大小不影響水輪機的正常運行即可。常見振動幅值的控制方法有減小激振力和增加水輪機部件的剛度。顯然，上述的兩個控制方法是在設(shè)想的數(shù)學(xué)模型中，計算邊界條件下振動部件的振動特性，它完成在水輪機的設(shè)計階段。異常振動是由偶然因素引起的，是可以避免的。它的產(chǎn)生原因主要由共振和自激振動，其中包括水體共振和機械共振，以及由此產(chǎn)生的壓力脈動和自激振動。鑒于異常振動都十分強烈，因此不能讓異常振動出現(xiàn)在水輪機運行工況中。因為異常振動是共振，所以消除異常振動最有效的途徑是錯

39、開激振與水輪機振動部件的固有頻率。水輪機振動評價標(biāo)準中的振動評價特征值有位移和速度兩種，振動速度用于含有高頻非周期分量的振動測量，能更為正確地表征振動量大小。振動位移則不但更加直觀，而且在水電水輪機的長期運行中積累了大量經(jīng)驗。實際應(yīng)用上，以水輪機額定轉(zhuǎn)速為標(biāo)準，300r/min以上的水輪機用振動速度評價，300r/min以下的水輪機則用振動位移來評價?，F(xiàn)行標(biāo)準沒有啟動、停機、負荷快速變化、甩負荷等過度過程工況，也沒有充分考慮水輪機巨大的尺寸對振動評價標(biāo)準的影響。大量的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，水輪機的振動穩(wěn)定性水平和水輪機的尺寸有明顯的相關(guān)性。隨著水輪機尺寸的增大，水輪機的穩(wěn)定性水平有越來越差的趨勢。

40、4 水輪機運行的穩(wěn)定性隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的大型乃至巨型機組相繼投入運行，水輪機比轉(zhuǎn)速和單機容量也不斷提高。水輪機導(dǎo)葉相對高度增高，機組尺寸增大，相對剛度減弱，加上電站水頭變幅大，機組運行工況有時欠佳，從而使得水輪機運行穩(wěn)定性問題日益突出，已逐漸引起廣泛的重視。水輪機運行穩(wěn)定性常體現(xiàn)在以下幾個方面：工作水頭和出力的波動；tg壓力脈動，水流周期性沖擊；機組支撐部分的振動；機組轉(zhuǎn)子振擺；調(diào)速系統(tǒng)的振蕩；機組內(nèi)部不正常的音響(噪音、異常聲音)等。上述穩(wěn)定性問題，都是不同形式的振動問題，所以水輪機運行不穩(wěn)定性的基本表現(xiàn)形式就是振動。水輪機在電網(wǎng)中擔(dān)負著系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻的作用，作為電網(wǎng)能源的主要

41、動力來源，水輪機長時間的不間斷運行是難免的。因此我國大部分混流式水輪機 裂紋的產(chǎn)生是由于疲勞運轉(zhuǎn)的原因，在不間斷的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，會有交變動態(tài)載荷和壓力脈動的強大作用，這種情況下，混流式水輪機的運轉(zhuǎn)就會處于疲勞狀態(tài)，如此情況循環(huán)的運轉(zhuǎn)，會加大裂紋產(chǎn)生的幾率。對水輪機的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。根據(jù)水輪發(fā)電機組的運行特征，表征水輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行的參數(shù)主要有振動、擺度和壓力脈動，其中振動是水力機組穩(wěn)定性的最重要指標(biāo)?；炝魇剿啓C的運行穩(wěn)定性與工況（n、q或水頭，出力p）、制造和安裝質(zhì)量相關(guān)。也和電站設(shè)計和水輪機參數(shù)選擇的正確與否，如與吸出高度h、尾水管高度、機組尺寸、比轉(zhuǎn)速等有關(guān)。按一般的概念，選型正確的水輪機

42、，如果吸出高度的裕量適當(dāng)大些，尾水管高度適當(dāng)高些，轉(zhuǎn)輪尺寸較小些，比轉(zhuǎn)速較低些，對運行穩(wěn)定性肯定會有利些。振動是所有旋轉(zhuǎn)機械的固有屬性，總存在振動，振動是不可避免的，其存在不受電站壽命的影響。它們的數(shù)值取決與許多因素，其中包括：機組在不同工況下流道中的流態(tài)、設(shè)計特性及制造。安裝和維護情況等。在極端情況下，水力機械的振動能導(dǎo)致產(chǎn)生順輪機構(gòu)建裂紋，甚至導(dǎo)致部件疲勞斷裂。在實際運行的水電站水輪機組上，產(chǎn)生振動的原因往往不易判斷。有時，各種頻率特性的振動混雜在一起，這也給尋找振動原因的工作增加不少困難。長期以來，由于對水輪發(fā)電機組的振動特性及故障成因認識不夠，加之檢測和分析手段落后，水電廠為確保機組的

43、正常運行，不得不對機組規(guī)定定期檢修制度。這種以壽命、故障可能發(fā)生的時間等信息為依據(jù)的時間計劃檢修方式，不僅具有一定的盲目性，而且?guī)砹瞬槐匾膿p失和浪費。隨著廣大水電科研人員對穩(wěn)定性和故障特性的認識的深入，以及電子計算機、信號檢測和處理技術(shù)的發(fā)展，從而有可能借助于現(xiàn)代先進的測試技術(shù)手段和分析技術(shù)對水輪機穩(wěn)定性進行監(jiān)測，以及對故障特性進行識別，從而確定機組的運行狀態(tài)和對故障的早期診斷。這種以機組的狀態(tài)、發(fā)生異常的征兆等有關(guān)信息為依據(jù)的狀態(tài)監(jiān)測維修方式，能正確的監(jiān)測機組的運行情況，防止事故與萌芽狀態(tài)，并且安排合理的檢修計劃，從而可大大提高機組的利用率。因此，為確保水輪機組的穩(wěn)定、安全可靠運行，了解

44、機組的運行狀態(tài)，預(yù)測和消除事故隱患，需進行穩(wěn)定性分析和穩(wěn)定性試驗。通過對水力機組的穩(wěn)定性分析及試驗，可以：1、探討各類型水輪機組的振動規(guī)律及特點，為研究機組的振因、故障識別、振源分析和進行振動處理等提供理論指導(dǎo)，達到對癥診治的目的。2、了解機組運行狀態(tài)，預(yù)測事故的發(fā)展趨勢，確定機組的檢修時間，通過振動信號的分析處理進行故障診斷和處理。3、為改進和提高水力機組設(shè)計、制造、安裝、運行水平和機組技術(shù)改造提供可靠的科學(xué)依據(jù)。4、分析各種工況下機組的不平衡力、電磁力以及水力作用對機組穩(wěn)定性的影響和其它不利于穩(wěn)定運行的因素，知道電廠安全、可靠運行。機組振動的原因比較復(fù)雜，在事先難以完全避免，待電站建成后要

45、改進彌補就更加困難。引起機組振動的原因一般來說主要有以下幾個方面：4.1 電氣方面由于水輪發(fā)電機設(shè)計不合理或制造、安裝質(zhì)量不良所產(chǎn)生。如轉(zhuǎn)子不圓，轉(zhuǎn)子幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心不一致，轉(zhuǎn)子匝間短路，定子不圓，合縫間隙過大，定子鐵芯裝壓不緊等。水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在大多情況下均高于其工作轉(zhuǎn)速，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于2倍或3倍工作轉(zhuǎn)速時，會出現(xiàn)超諧波共振；對于特殊要求的水輪機組，若設(shè)計臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，則當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于12倍或13倍工作轉(zhuǎn)速時，會出現(xiàn)次諧波共振。4.2 機械方面由于水輪機和水輪發(fā)電機的結(jié)構(gòu)不良或制造、安裝質(zhì)量不良所造成。如轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，軸線曲折、傾斜，推力軸承安裝不良以及

46、導(dǎo)軸承間隙過大等。葉片上冠、下環(huán)的焊接部位，由于采用的是“t”型焊接方式，是空間幾何形狀突變的位置為應(yīng)力集中區(qū)域，也是疲勞強度最低的部位。轉(zhuǎn)輪葉片和上冠和下環(huán)比較，平面尺寸較大而橫截面尺寸相對較小，與上冠、下環(huán)焊接成轉(zhuǎn)輪后剛度最小，在運行時承受交變負荷時容易產(chǎn)生疲勞裂紋。葉片出水邊相對進水邊薄，強度差，在交變負荷作用下最易發(fā)生裂紋。在轉(zhuǎn)輪焊接過程中由于焊接工藝和熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩?，產(chǎn)生夾渣、氣孔、應(yīng)力集中等缺陷，在交變負荷作用下將降低疲勞強度和使用壽命。4.3 水力方面4.3.1 尾水管渦帶混流式水輪機在部分負荷運行時，由于偏離設(shè)計工況而使轉(zhuǎn)輪出水邊環(huán)量增大形成渦帶。當(dāng)渦帶在尾水管中旋轉(zhuǎn)運行或湍

47、動時，就會引起尾水管產(chǎn)生低頻壓力脈動，脈動頻率一般為轉(zhuǎn)頻的幾分之一。當(dāng)脈動頻率與機組自振頻率或廠房自振頻率接近時，就會產(chǎn)生共振，引起機組或廠房的劇烈振動。由于混流式水輪機是固定葉片式的水力機械，當(dāng)水輪機偏離最優(yōu)工況運行時，由于轉(zhuǎn)輪出口水流有一個旋轉(zhuǎn)圓周分速度，使轉(zhuǎn)輪下方靠近尾水管軸線的區(qū)域出現(xiàn)較大的真空，當(dāng)真空達到一定的數(shù)值后便產(chǎn)生空腔氣蝕形成渦帶，渦帶是螺旋形繞尾水管軸線不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，會引起機組振動，并對尾水管產(chǎn)生相當(dāng)大的作用。尾水管渦帶是引起機組振動的一個十分重要的因素：或形成不穩(wěn)定的振動區(qū)限制機組運行范圍，或損壞設(shè)備本體造成停機，同時也是機組噪聲的一個主要來源。4.3.2 卡門渦水流流過

48、圓柱體或翼型，當(dāng)雷諾數(shù)大于40時，在其后面會形成幾乎穩(wěn)定的、有規(guī)則的對稱旋渦，即卡門渦。卡門渦與葉片或固定導(dǎo)葉發(fā)生共振時會使葉片產(chǎn)生疲勞破壞或裂紋，并伴隨強烈的噪聲。當(dāng)水流繞流葉片，由出口邊流出時，便會在出口邊處產(chǎn)生渦列，從葉片的正面和背面交替出現(xiàn)，形成對葉片交替的沖擊。當(dāng)葉片自振頻率與沖擊頻率相同，便產(chǎn)生共振。早期的黃壇口水電站，就是卡門渦破壞的典型代表。4.3.3 水力不平衡在水輪機流道內(nèi)，當(dāng)某一部分水流失去軸對稱出現(xiàn)不平衡的橫向力時，可引起壓力脈動或振動。如導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的開口不等，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙不均或流道內(nèi)有異物等。龔嘴電站3號機轉(zhuǎn)輪葉片對面?zhèn)攘鞯烂娣e相差達10，引起擺度達07mm，被

49、迫限負荷在70以下運行2年多。水輪機在非設(shè)計工況下運行的振動。當(dāng)水輪機處于空載、低水頭、小負荷、高水頭、超負荷大流量的運行狀態(tài)時，除了承受流體的壓力載荷之外，還承受了壓力脈動和水力擾動的動態(tài)載荷的影響。由于機轉(zhuǎn)動部分和固定部分間隙不均使轉(zhuǎn)輪中心偏離機組中心，轉(zhuǎn)輪圓周各處固定和旋轉(zhuǎn)迷宮環(huán)間隙隨著轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)不斷變化，間隙內(nèi)水壓也相應(yīng)變化，沿轉(zhuǎn)輪圓周對水壓進行積分，就有一定作用在轉(zhuǎn)輪上的橫向水壓力的合力，該合力總是迫使轉(zhuǎn)輪中心進一步偏離機組中心，加劇水輪振動。當(dāng)轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對稱時，出現(xiàn)不平衡的橫向力，于是造成轉(zhuǎn)輪振動。4.3.4 葉道渦當(dāng)水輪機偏離最優(yōu)工況運行時，轉(zhuǎn)輪進口水流沖角過大，導(dǎo)致葉片頭

50、部脫流空化，形成葉道渦。一般來說，初生葉道渦的強度較弱，不會造成危害，一般也不足以引起振動，但葉道渦發(fā)展到嚴重程度時，就會在葉片負壓面產(chǎn)生空化，并引發(fā)高頻振動或機組產(chǎn)生共振。如塔貝拉電站水輪機的振動破壞。5 提高水輪機穩(wěn)定性5.1 水輪機hmax/hmin的變化范圍混流式水輪機在設(shè)計時要保證水頭處有一個較為穩(wěn)定的運行區(qū)間，這個區(qū)間可以在一定程度上減小振動和裂紋，這二處危害減弱了，水輪機的運行平穩(wěn)性就能得到很好的體現(xiàn)。所以在設(shè)計混流式水輪機的轉(zhuǎn)輪時考慮葉片折水力負荷，這種固定式的葉片式的水力機械在設(shè)計時水頭變幅不宜過大。有文獻建議，水輪機最大水頭和設(shè)計水頭的比值應(yīng)控制在1.2以下，最大水頭與最小

51、水頭的比值應(yīng)控制在1.5以內(nèi)。5.2 水力設(shè)計的科學(xué)性和合理性一是合理選取水輪機的比轉(zhuǎn)速。為了保證水輪機的穩(wěn)定性，所以在選取水輪機時要注意水輪機的比轉(zhuǎn)速，要控制水輪機的比轉(zhuǎn)速不能過高，以使對水輪機的強度造成影響，同時也會減弱水輪機的磨損度，使穩(wěn)定性難以保障。當(dāng)水輪機穩(wěn)定性指標(biāo)不能滿足時，應(yīng)采用較低的比轉(zhuǎn)速，并選擇較低的導(dǎo)葉相對高度，減小單位流量。二是降低尾水管壓力脈動值，控制葉道渦的發(fā)生。葉道渦從發(fā)生到發(fā)展是有一個過程的，在轉(zhuǎn)輪模型試驗時就應(yīng)注意，盡量把葉道渦發(fā)生線排除在運行范圍之外。尾水管壓力脈動值應(yīng)按不同水頭段、不同負荷段分別提出要求。三是根據(jù)電站特點，正確設(shè)計轉(zhuǎn)輪葉型。采用扭轉(zhuǎn)葉片或采用

52、大進口直徑與小出口直徑的水力設(shè)計，可使水輪機有較寬的穩(wěn)定運行區(qū)；采用長短葉片，也是適應(yīng)負荷變化的有效手段；而葉片采用donalson式的出水邊形狀，在保證葉片剛強度的前提下可使卡門渦激振能量最小。5.3 水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計一是提高轉(zhuǎn)輪的剛、強度，降低葉片線型應(yīng)力和局部最大應(yīng)力。水輪機應(yīng)有足夠的剛、強度，葉片線型應(yīng)力應(yīng)控制在10080mpa，局部最大應(yīng)力應(yīng)小于150mpa。葉片出水邊與上冠交接處屬于高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)適當(dāng)加大圓弧段直徑，以改善應(yīng)力狀況。二是計算出水邊卡門渦頻率與各部件固有頻率，使其不產(chǎn)生共振。三是適當(dāng)控制葉片數(shù)量。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量與穩(wěn)定性之間雖然沒有直接的明確關(guān)系，但在一定條件下其影響也

53、是明顯的，如頻率、葉片應(yīng)力等。四是優(yōu)化轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)和泄水錐。轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)不采用熱套或鑲套，應(yīng)直接在上冠和下環(huán)母體上車出來，泄水錐與上冠設(shè)計成一體，這樣轉(zhuǎn)輪的整體性更好。5.4 水輪機制造質(zhì)量水輪機是電網(wǎng)運行的保障，所以水輪機的質(zhì)量至關(guān)重要，良好的質(zhì)量對水輪機的運行起著穩(wěn)定的作用，因此在水輪機制造過程中對各個部件及工藝都要進行強化控制，保證出廠驗收的手續(xù)，確保出廠的合格率。5.5 制造工藝和檢修質(zhì)量(1)水輪機轉(zhuǎn)輪是水輪機的心臟。直接影響著轉(zhuǎn)輪的效率、抗空化性能和運行穩(wěn)定性。水輪機過流表面的翼型是理想的水力設(shè)計，但必須采用先進的制造1二藝來實現(xiàn)。小浪底水電站轉(zhuǎn)輪13個葉片之所以全部出現(xiàn)穿透性裂紋，是制造該水輪機的公司采用專利技術(shù)轉(zhuǎn)輪焊后不退火。焊后殘余應(yīng)力過高所致。在大中型水輪機組制造上，過去采用的“砂型鑄造一砂輪鏟磨一立體樣板檢測”的制造工藝，已不能有效地保證葉片型面的準確性和制造質(zhì)量。目前采用的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)是當(dāng)今機械加丁中的尖端高技術(shù)。大型復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工編程則是實現(xiàn)其數(shù)字化制造的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，其數(shù)控編程技術(shù)是一個數(shù)字化仿真評價及優(yōu)化過程。其關(guān)鍵技術(shù)包括：復(fù)雜形狀零件的三維造型及定位，五軸