影響水輪機穩定性的因素及維護對策的論文
新時期，水輪機設計方面，不斷向著大尺寸以及大容量的方向發展，水輪機電機組的轉速逐漸增高，而且水輪機的相對剛度逐漸正在不斷減弱。 隨著科學技術的不斷發展，各行各業自動化水平越來越高，水電站逐漸開始實現“無人值班，少人值守”的運行管理方式。 因此，業內開始逐漸重視水輪機運行的穩定性，并對此提出了更高要求。 本文主要以混流式水輪機為例，詳細分析水輪機穩定性的影響因素，并詳細探究提高水輪機穩定性的有效策略。
目前，在實際工作中，由于混流式水輪機的結構形勢比較簡單而且工作效率比較高，因此已經逐漸得到了廣泛應用。 目前，在我國眾多水電站中，金沙江向家壩水電站的單機容量最大，其水輪機額定功率已經高達 812MW,水輪機的轉輪直徑約有 9.75m, 該水電站同時也是世界上已有水輪機中單機容量最大的。
1 水輪機穩定性及必要性
對于水輪機質量進行評定，需要關注三個指標，分別為穩定性、能量以及空化。 其中，能量和空化指標的評判比較直觀，而且通過充分挖掘和利用， 能夠在很大程度上減少水電站成本投入，增加發電收益，因此，業內對于對能量和空化指標更加關注，而且相關研究也比較深入。 水輪機的穩定運行與水輪機組的穩定運行是密切相關的， 以往人們對于水輪機并不重視對其穩定性的研究，但水輪機穩定性問題卻比較復雜、涉及面廣，因此，對水輪機穩定性的研究不夠深入。
水輪機運行的穩定性主要體現為在水輪機組的運行中所體現出的水力振動和機械振動。 當水輪機在運行狀況下，其穩定性較差，則會產生比較幅度較大、頻率較高的振動，而此類強烈的振動會嚴重影響水輪機的正常運行，隨著時間的推移，水輪機表面會逐漸產生很多裂紋甚至會導致水輪機廠房以及其他水工建筑發生振動作用， 最終會威脅到整個水電站的正常運行。 根據相關調查研究可指，目前，我國大批中型水輪機的已經投入生產， 并且已經有很多水電站的水輪機逐漸暴露出振動問題，嚴重程度各不相同，而且隨著振動問題的發展，水輪機的葉片也會逐漸產生裂紋，另外，軸瓦部分也會產生裂紋，隨著問題嚴重程度不斷加深，最終會影響到水電站運行的安全性和經濟性。 因此，探究影響水電站水輪機穩定性的各種因素至關重要。
2 水輪機穩定性主要影響因素
在實際工作中， 很多因素都會影響混流式水輪機的穩定性，對此，本文將從水輪機的水力設計、結構設計、構件加工制造等多個方面進行詳細的研究探討。在整個水輪機組的設計工作中， 水力方面的設計影響力較小。 當水輪機組在正常工況下運轉時，機組轉輪出口水流會不斷流出，而轉輪出口水流不會發生旋轉。 當水輪機不處于最優工作狀態下， 轉輪出口的水流會在水輪機尾水管中逐漸形成環狀水流， 當水輪機在低水頭的 40~70%部分負荷工況下，水輪機轉輪出口水流會正向旋轉，并且逐漸形成帶狀渦旋，甚至會引發水輪機組產生振動作用。 在水輪機運行工作中，造成水輪機組振動的最為主要的因素就是尾水管的壓力脈動，而且這一因素會對混流式水輪機的正常運行構成威脅。 另外，如果繞流翼型尾部產生卡門渦列，也會影響水輪機的正常運行，因為豈會導致水輪機的轉輪葉片產生強迫性的振動， 當這種強迫性振動的頻率與轉輪葉片的自振頻率形成倍數關系時，就會導致水輪機轉輪葉片產生裂縫，甚至會導致葉片斷裂。 除此以外，還有一個因素也會影響水輪機的穩定運行，即水力因素，如果水輪機機組運行狀況與水輪機設計工況出現偏差，則在葉片的進出口就會發生脫流現象， 由于脫流現象的頻率不穩定，因此其危害程度也有所不同。
水輪機的水力模型是整個水電站的動力來源。 科學合理的水輪機組結構設計與加工制造能夠有效提高水輪機運行的穩定性， 而影響其結構合計與制造的因素主要有三點如下所示：①過流部件，當流道內的水流壓力作用于過流構件上，則會產生應力作用， 隨著應力的增加， 會導致構件發生彈性變形，另外，當水流發生攪動作用時，各個構件也會產生振動作用。 當水流的振動頻率與部件的固有頻率相同時，還會產生共振作用，不僅會產生嚴重的噪音污染，而且還會影響水輪機組的正常運行。 特別是對于尺寸較大、轉速較低的水輪機組，其本身固有頻率與水力低頻十分接近， 因此很容易受到共振影響。 ②加工工藝的影響，在水輪機組的加工制造工作中，如果葉片加工不精準，或者在構件的焊接過程中出現誤差，則葉片的進出口開口值就會比較不均勻， 最終會導致水輪機組發動機產生振動問題。 ③在迷宮環加工時橢圓度大，也會導致機組發生振動問題。
另外， 水輪機組的安裝質量同樣也會影響水輪機組的穩定運行。 在水輪機組的各個構件中，如果其導軸承互不同心，或者軸線不正，則引起水力振動，同時還會引起軸承構件發生振動。 還需要注意的是，如果轉輪機平衡性較差，則會產生葉開口值調整不均勻問題。
3 優化水輪機穩定性措施
�。�1）不斷優化水輪機水力設計，在水輪機設計中提高其性能設計，保障水輪機的穩定運行。 所以，在實際設計工作中，設計人員不僅需要具備扎實的專業知識， 而且還要結合自身的工作經驗，努力優化設計。目前，計算流體動力學分析技術（CFD）和模型試驗應用較為廣泛。 在設計階段，設計者必須結合工作經驗，在工作中使用 CFD 和模型試驗，不斷優化導葉翼型、轉輪葉片翼型以及泄水錐，盡量合理控制尾水管壓力脈動幅值。 目前，全世界尚沒有統一尾水管壓力脈動幅值范圍標準。 通常情況下，高水頭電站轉速較低、振動幅度較小，但是低水頭電站比轉速高，壓力脈動幅值相對較大。
�。�2）加強水輪機產品質量控制，提高檢修維護水平。 在水輪機設計階段，加強對水輪機產品質量控制，也是提高其運行穩定性的重要方式。 對此， 首先應該提高水輪機通流部件剛度，盡量減少其在水力作用下發生變形。 除此以外，設計者在設計階段還應該充分考慮尾水管固有頻發生共振的可能性以及在低負荷時水流渦帶頻率與轉輪固有頻率。 另外，還應該科學設計葉片過渡部分，對于葉片根部的局部加強，應該采用有限元分析法，減少應力集中。 在轉輪制造階段，應該采用嚴謹的制作工藝，并且在材料上采用不銹鋼。 最后，還應該采用三維軟件設計轉輪造型，控制葉片厚度。 轉輪加工完成后，要進行平衡試驗，盡量避免重量偏差，提高平衡性。
為了更好的保障水輪機質量，必須加強對其后期維護。 在水輪機的使用過程中，其葉片、轉輪以及其他構件會逐漸發生氣蝕作用以及磨蝕作用，因此，需要定期對水輪機進行檢測和修復工作。 目前，在水輪機的檢修工作中，最常見的修復方法為補焊修復。 在具體的補焊工作中，應該時刻關注變形構件的變形情況，補焊工作完成后，還要進行無損檢測，并且將表面打磨光滑。
�。�3）加強水電站日常管理工作，有利于保障水輪機組的正常運行，并且提高其運行穩定性、工作效率。
①嚴格依據國家相關規定管理水輪機組的運行。 水電站在系統中一般都具有調頻調峰的任務，在短時間內，在保證運行范圍小時數之外運行的小時數基本無法避免， 在實際工作中，應該盡量將運行范圍之外運行的小時數控制在 5%左右。
②在水輪機組的運行狀況下，應該盡量避開振動區域。 混流式水輪機一般有 1 個振動區或者 2 個振動區， 所以在水輪機的開機和停機階段， 可以采用跨越的方法盡量避開振動區域。 除此以外，在水輪機組的日常工作中，還應該盡量減少開機次數和停機次數。 因為在頻繁的開機和停機過程中，水輪機轉速以及水壓力的都會不斷發生變化， 而這種現象對于機組的穩定性極為不利。
③新時期，科學技術發展迅速，在水電站的日常運行中，也應該采用先進的檢測方法， 對水輪機組的運行狀況進行實時監測，保證水輪機的運行穩定性。
4 結束語
我國地大物博，水利資源十分豐富，通過學習國外的先進技術和工作經驗，并通過自身的研究總結，目前我國已經陸續建立了一大批水電站，并且，隨著研究的不斷深入，水輪機組的設計、施工和日常維護技術也取得了很大進步。 本文主要對水輪機組的穩定運行進行了詳細探究， 希望通過本文研究提高水電站工作水平。
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