水轮机稳定性探讨毕业设计

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1、 毕业设计（论文）题 目 水轮机稳定性探讨 学生姓名 郑 航 学 号 2011309543 专 业 发电厂及电力系统 班 级 20113095 指导教师 陈红梅 评阅教师 陈红梅 完成日期 2013年12月25日论文/设计/报告原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文/设计/报告是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了论文/设计/报告中特别加以标注引用的内容外，本论文/设计/报告不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日 论文/设计/报告版权使用授权书本论文/设计/报告作者完全了解学校有关保障、使用学位论文/设计

2、/报告的规定，同意学校保留并向有关论文/设计/报告管理部门或机构送交论文/设计/报告的复印件和电子版，允许论文/设计/报告被查阅和借阅。本人授权省级优秀论文/设计/报告评选机构将本论文/设计/报告的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文/设计/报告。本论文/设计/报告属于1、 保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、 不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 三峡电力职业学院毕业设计（论文）课题任务书（ 2013 - 2014 学年）课题名称水轮机稳定性探讨学生姓名郑 航专 业发电厂及电力系统班号201

3、13095指导教师陈红梅指导人数2课题概述：在水电站运行过程中，水轮机是其重要的设备之一，如何保证水轮机的稳定是保证水电站正常运行的主要保障，但在实际运行当中，水轮机的稳定性还需要对机组运行的稳定性和叶片的裂纹问题进行研究，以减少水轮机安全运行的隐患。本课题通过对影响水轮机稳定性的因素进行分析研究，提出了提高机组运行稳定性的对策建议。一、设计任务水轮机稳定性探讨二、设计目的1通过设计，加深对水轮发电机组知识理解、巩固和提高学过的理论与专业知识，并予以适当的深化。2. 通过本次设计，培养学生综合学生应用所学知识，解决具体问题的能力。3学会在接到项目时如何搜集和查阅资料、进行方案论证与设计、总结设

4、计成果，撰写学术论文等，为今后工作打下良好基础。三、完成成果1开题报告一份2设计论文一份3. 长江干流图一份4. 结论一份四、设计完成时间：2014.3.30之前完成设计及论文撰写参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）：1 2 关于水轮机稳定性问题探讨3 向家坝巨型混流式水轮机运行稳定性研究4 水轮机稳定运行的分析研究5 隔河岩电站1号水轮机水力稳定性的若干问题研究6 老江底水电站水轮机水力稳定性分析7 公伯峡水电站水轮机稳定性的优化措施8 三峡水电厂21号水轮机稳定性试验设计（论文）成果要求：1、开题报告： 2500 字2、说 明 书： 1000 字3、图 纸： A4 号4、实习报告

5、： 5000 字5、论 文：=6000字6、其 它：按要求提供论文及论文全文电子文档进度计划安排起止日期要求完成的内容及质量1、2013年春季学期（2013.6.15-2013.6.22）下达毕业设计（论文）任务书学习毕业设计（论文）要求及有关规定阅读指定的参考资料及文献。完成开题报告。2、2013.6.23-2013.10.10阅读指定的参考资料及文献，撰写论文3、2013年秋季学期（2013.10.10-2013.12.10）提交毕业设计（论文）成果（包括纸质文本和电子文本）。完成毕业设计，全部成果交指导教师批阅。4、2014年春季学期（2013.2.28-2014.3.10）5、2013

6、年秋季学期（2014.3.10-2014.3.20）6、2013年秋季学期（2014.3.20-2014.3.30）指导老师按规范要求对毕业设计（论文）进行形式审查。评阅教师批阅毕业设计（论文）成果毕业答辩审核（系主任）批准（院长）毕业设计（论文）开题报告题 目 水轮机稳定性探讨 学生姓名 郑航 学 号 2011309543 专 业 发电厂及电力系统 班 级 20113095 指导教师 陈红梅 完成日期 2013年12月25日 一、课题名称、来源、目的和意义1、论文名称 水轮机稳定性探讨2、论文来源 三峡电力职业学院3、目的和意义随着发电机组单相容量的提高，机组尺寸的逐步增大，比转速的不断提高

7、，相对刚度的减弱，人们对于大型水轮机的运行稳定性日益重视，同时，随着技术的高速发展，机组运行的自动化程度越来越高，无人值班，少人值守，远程控制的水电厂日益增多，对机组运行稳定性的要求亦日趋严格。在水轮机稳定性探讨中，我们有成功的经验，也有失败的教训，经验和教训都将丰富系统工程的理论，也给后人提供了一个典型的案例。在水电站运行过程中，水轮机是其重要的设备之一，如何保证水轮机的稳定是保证水电站正常运行的主要保障，但在实际运行当中，水轮机的稳定性还需要对机组运行的稳定性和叶片的裂纹问题进行研究，以减少水轮机安全运行的隐患。通过设计，我加深了对水轮机发电机组知识理解、巩固和提高学过的理论与专业知识，并

8、予以适当的深化。二、国内现状目前，国内特大型混流式水轮机发电机组发展迅速。举世瞩目的三峡水电站单机容量达700MW的机组现已投产发电，这是我国水电机组发展史上一个新的里程碑。溪洛渡、向家坝、拉西瓦、小湾、龙滩等一批水电站的700MW级特大型混流式机组也陆续投入使用。水电作为可再生能源在世界能源中占有越来越重要的位置，虽然近年来我国水电开发进程明显加快，但总体来看，我国水能资源利用率还比较低，开发利用潜力很大，继续加强水电建设、合理利用水能资源是保障我国能源供应的重要措施。三、研究内容近些年来，由世界一些著名水轮机生产厂家制造的一些国内外大型混流式水轮发电机组，虽然都是采用现代水力仿真手段设计优

9、质的材料和先进的加工工艺制造而成，但大多都出现了不同程度的压力脉动和振动，并在运行初期都出现了转轮裂纹，特别是在高水头区域运行时，机组的振动明显增大。这些问题的出现，使机组的安全稳定运行受到严重威胁，并给电站带来了明显的效益损失。水轮机是水力发电厂的心脏，它将谁的能量转化为机械能，其运行稳定性直接关系到整个水电厂的经济型、安全性和可靠性。在水轮发电机组运行中，影响其稳定性的因素很多，也很复杂，它与一般旋转机械不同，往往是流体、机械、电磁等诸多因素的综合作用。比如电磁方面的因素，由于发电机电磁设计不良引起的磁力不平衡以及定、转子圆度误差较大，空气间隙不均匀等因素的影响，会造成机组运行不稳定。再比

10、如机械方面的因素，对于大型水轮发电机组，由于受到运输条件等的限制，水轮机转轮、发电机定子采取分辨运输，现场组焊；发电机转子采取分零部件运输，现场组装。因此，可能会造成水轮机转轮，发电机转子磁极、及转子支架的重量偏差，引起重量不平衡，当机组旋转运行时，就会产生不平衡力，进而引起重量不平衡，当机组旋转运行时，就会产生不平衡力，进而引起机组振动。但对于中小型机组，水轮机转轮，发电机定子，转子一般可以再制造厂加工好后整体运输，因而该因素的影响可大大减少。然而最重要的是水力方面的因素。包括：尾水管引起的压力脉动，当机组在最优工况运行时，转轮出口水流应是近法向流出，此时，转轮出口水流不发生旋转，当水轮机偏

11、离最优工况运行时，由于转轮出口处的旋转水流以及脱流漩涡和气蚀等的影响，在尾水管内常引起水压的脉动；水轮机转轮的压力脉动，其中包括卡门涡街引起的振动，转轮进口引起的压力脉动等；还有固定导叶尾部的紊流引起的振动，当流水中放置了物体时，只要其水流不是层流，在物体尾部就会产生具有尾涡的紊流；蜗壳鼻端与转轮叶片相互作用引起的振动，对于高水头魂流式水轮机，其蜗壳鼻端需要一定的厚度，起隔流作用，将压力钢管末端的水流和流到蜗壳末端的水流分开，由于高水头水轮机蜗壳内流速较大，水流在我可内的摩擦损失亦较大，致使上述两股不同能量的水流在蜗壳鼻端后面相遇时，引起强烈尾涡；流到的非对称性引起的振动，由于加工手段和精度的

12、问题，造成蜗壳、导叶、转轮叶片的不均匀或不对称，以及转轮偏车产生的密封间隙不均匀等，除了会引起水压的脉动外，还会引起转轮的横向或纵向振动；轴流式机组的狭缝射流，在轴流式水轮机中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在轮叶外援和转轮室之间的狭窄缝隙中，形成一股射流，其速度很高，压力很低，在转轮旋转过程中，形成对转轮室壁的周期性压力脉动，从而产生振动，导致疲劳破坏；轴流机组的叶片扭矩及变形，当运行工况偏离最优区时，定浆式机组转轮叶片冲角会发生变化，或当转桨式机组协联关系不正确时，转轮叶片不再具有无撞击进口，水流对叶片就会产生冲击；气蚀引起的振动，水轮机长期运行气蚀严重时，转轮叶片冲角变化较大，

13、使叶片产生强烈的脱流漩涡，一方面恶化气蚀现象，另一方面引起转动部分及尾水管的振动；其他原因，如不合理的运行方式，尤其是偏离额定水头较远带负荷运行。随着机组尺寸和容量的增大、比转速的提高，大型混流式机组水力稳定性问题俞显突出。针对岩滩、五强溪等机组出现的水力稳定性问题，有关制造厂及研究机构开展了尾水管压力脉动引起的水力稳定性预测研究、混流式水轮机部分负荷下水力稳定性试验研究以及高水头大负荷转轮前中频压力脉动等测试和消除方法研究等等，积极预防或减轻水力振动的发生，提高水轮机的运行稳定性。针对现阶段对施工期混凝土拱坝坝体变形变化规律的研究，由于施工期混凝土所释放的水化热较多，确定了用坝体浇筑高程表征

14、对坝体变形的影响。由于1992年巴基斯坦塔贝拉电站440MW机组和2009年俄罗斯萨阳舒申斯客电站640MW机组相继出现了重大事故，三峡机组采用了诸多技术设施，无论是额定水头为80.8m的14台左岸电站水轮机，还是额定水头为85m的12台右岸电站水轮机，迄今运行良好。但三峡机组在电网实际运行中，由于国家调度体制上的原因，不能充分发挥“最大容量”的设计能力，未能实现“保证安全运行”并“多发电量”的效果。三峡、大古力、伊泰普等水电站都规定在60%额定出力以上的区域运行，实际上伊泰普水电站几乎是在80%额定出力以上的区域运行，机组运行负荷没有大起大落的变化。由于模型试验时的压力脉动与原型机运行时并无

15、确定的相似关系，所以在试运行中考察真机的稳定运行性能，并在长期运行中坚持按分区运行的要求进行调度是十分必要的。影响水轮机运行稳定性的因素很多，它包括电磁、机械、水力等诸多因素，其中水力稳定性是关键因素，如叶道涡、卡门涡、尾水管涡带、空化等。对水轮机稳定性具体要求：不产生高部分负荷压力脉动；尾水管压力脉动满足要求；导叶后、转轮前区域（无叶区）压力脉动满足要求；在水轮机长期连续安全稳定运行范围内，不允许存在初生叶道涡流和叶片出水边可见门涡；叶片进口边负压面初生空化线和正压面初生空化线不能进入水轮机长期连续安全稳定运行范围内。四、课题研究计划阶段任务时间论文准备收集并阅读水轮机稳定性的文献资料201

16、3.6.15-2013.6.22论文撰写论文撰写2013.6.23-2013.12.25论文答辩论文答辩2013.12.25-2014.3.30五、参考文献1 关于水轮机稳定性问题探讨 张锴 2 水轮机稳定运行的分析研究 岳高峰 水利部产品质量标准研究所3水轮发电机组的安装与检修 盛国林 - 4 -目 录摘 要 1前 言 21水轮发电机组综述 31.1水轮机概述 31.2反击式水轮机 31.3 冲击式水轮机 42 水轮机运行稳定性综述 42.1 水轮机运行稳定性现状 52.2 水轮机运行稳定性研究方法 63 水轮机稳定性评估 73.1 水轮机尾水管水压脉动机理 73.2 水轮机水轮机振动分析

17、94 水轮机运行的稳定性 103.1 电气方面 113.2 机械方面 123.3 水力方面 125 提高水轮机稳定性 135.1 水轮机Hmax/Hmin的变化范围 135.2 水力设计的科学性和合理性 135.3 水轮机转轮的结构设计 145.4 水轮机制造质量 145.5 制造工艺和检修质量 145.6 尾水管涡带引起的振动 15结 论 17致 谢 18参考文献 19水轮机稳定性探讨学 生：郑 航指导教师：陈红梅教学单位：三峡电力职业学院摘要：全世界能源陷入了紧张的危机，我国也不例外，能源的紧缺导致了煤荒、电荒的发生。目前我国电能来源以水电站占据大部分，在水电站运行过程中，水轮机是其重要的

18、设备之一，如何保证水轮机的稳定是保证水电站正常运行的主要保障，但在实际运行当中，水轮机的稳定性还需要对机组运行的稳定性和导叶的裂纹问题进行研究，以减少水轮机安全运行的隐患。为此，就水电站机组运行稳定性的问题进行了研究，提出了优设计、加强制造和检修质量的控制、消除尾水管涡带引起的振动等行之有效的措施。本文重点分析了水轮机能量、空化和稳定性，并把水力稳定放在首位，同时展望我国水轮的发展方向。水轮机的水力不稳定问题具有一定的普遍性。原因是多方面的表现形式也多种多样。因为它直接关系到机组运行的可靠性、电厂的企业效益、电网的安全和整体效益以及社会效益等多方面因素，所以不容忽视。从目前国内外存在的问题分析

19、其原因。电站建设条件苛刻客观存在，如运行水头变幅太大、运行工况不佳等，但与水轮机的设计、制造技术也密不可分。近些年来由世界一些著名水轮机生产厂家制造的一些国内外大型混流式水轮发电机组。虽然都是采用现代水力仿真手段设计、优质的材料和先进的加工工艺制造而成，但大多都出现了不同程度的压力脉动和振动。并在运行初期都出现了转轮裂纹。如国外的大古力III、古里II等，尤其是塔贝拉电站14台机组均出现了不同程度的振动和裂纹。我国的岩滩、五强溪以及刚运行不久的二滩、李家峡、小浪底、大朝山等电站转轮叶片也均出现了裂纹。特别是在高水头区域运行时，机组的振动明显增大。这些问题的出现，使机组的安全稳定运行受到严重威胁

20、，并给电站带来了明显的效益损失。关键词：水轮机、稳定运行、振动- 19 -前 言在非设计工况下，水轮机过流部件的压力脉动和由匪力脉动诱发的振动及振动区域的大小程度，以及由电磁和机械的原因引起的振动程度、功率摆动的程度、水轮机的噪声等。因此，水轮机稳定性应广义理解为水轮发电机组的稳定性。由此可见，水轮机运行的稳定性也是水轮机的一项很重要的性能。在水电站设计中，必须把水轮机的稳定性与其能量指标、空蚀性能一并作为选择水轮机的三大要素加以综合参考。近年来有不少大型水轮机投入运行，如二滩电站550MW机组、李家峡电站400MW机组、岩滩与小浪底电蛄300 MW机组等。但是不少大型水电机组在运行稳定性方面

21、出现不少问题，机组振动较大、叶片裂纹、甚至引起厂房振动，影响机组与电站安全运行。尤其是，有些大型水电站机组运行方式欠佳。机组经常处于空载调压和空转备用进行状态，负荷变化频繁，甚至带较小负荷运行，致使机组长期处予不合理的工况下运行，造成水轮机破坏严重。因此，针对目前电网调度实际情况，饕求水轮机具有较宽的稳定运行范围。在水电站设计工作中，也必须采取相应措施，以优化水轮机运行稳定性。对于我国大部分的水电站来讲，混流式水轮发电机是各水电站的重要设备，混流式水轮机以其简单、高效、制造工艺成熟等诸多优点成为各水电站低成本、高效益稳定运行的重要保障。混流式发电机以其强大的优势占据着水电站机组的主导位置，但混

22、流式水轮机还存着自身无法克服的弱点。混流式水轮机机组的振动和叶片的裂纹已成为威胁机组安全的重要隐患，严重阻碍了水电站的经济效益的发挥。所以对混流式水轮机运行的稳定性进行研究已刻不容缓。1 水轮发电机组综述1.1 水轮机概述水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动力。水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机将旋转机械能转化成电能。根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。水轮机类型及应用水头范围类 型形 式适应水头（m）反击式水轮机混流式（H

23、L）混流式20-700混流可逆式80-600轴流式(ZL)轴流转桨式(ZD)3-80轴流定桨式(ZZ)3-50斜流式(XL)斜流式40-200斜流可逆式40-120贯流式(GL)贯流转桨式(GZ)1-25贯流定桨式(GD)冲击式水轮机水斗式(CJ)40-1700斜击式(XJ)20-300双击式(SJ)5-1001.2 反击式水轮机1.2.1 混流式水轮机混流式水轮机水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。结构简单、运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。1.2.2 轴流式水轮机轴流式水轮机水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动。根据其转轮叶片在

24、运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定的，因而结构简单，造价较低，适用于出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。1.2.3 斜流式水轮机斜流式水轮机水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动，其转轮叶片大多做成可转的形式。1.2.4 贯流式水轮机贯流式水轮机是一种流到近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不设饮水蜗壳，叶片可做成固定的和可转动的两种。根据发电装置形式的不同，全贯流式和半贯流式两类。1.3 冲击式水轮机冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压

25、力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流，该射流冲击转轮的部分叶片，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的急剧改变，从而将其动能大部分传递给轮叶。1.3.1 水斗式水轮机水斗式水轮机亦称切机式水轮机。从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮周围切线方向垂直冲击轮叶。1.3.2 斜击式水轮机斜击式水轮机，水流从转轮的一侧进入转轮叶再从另一侧流出轮叶，与水斗式相比，其流量较大，但效率较低。1.3.3双击式水轮机从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。这种水轮机的结构简单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差。2 水轮机运行稳定性综述水轮机的主要特性有三个：即能量特性，抗空蚀特性和水力稳定性。这三个

26、特性是水轮机性能评估，投标、采购、验收和维护运行最主要的三个指标，是科研人员研究最深入最广泛的课题，也是水轮机用户最关注的指标参数。这三个特性指标是水轮机内在表现特征，是研究水轮机稳定性的关键出发点。2.1 水轮机运行稳定性现状早在上世纪 5080 年代就出现了不少大型水轮机水力稳定性很差的问题，引起水轮机稳定性差主要的原因是这些水轮机的尺寸巨大，相对刚度低，运行水位条件恶劣等，随着水轮机的使用年代越来越久远，不稳定性问题呈现出的危害性也越来越明显。这在国内和国外的许多案例中都能得到充分体现。在国外，出现水轮机水力不稳定问题比较典型的事例是巴基斯坦的塔贝拉水电站。塔贝拉水电站是巴基斯坦最大的水

27、电站，总装机容量3510MW。第二电厂装有4 台440MW 水轮机，其运行水头变化幅度是大型混流式水轮机之最。其中有两台水轮机在投产不到半年的时间，因水力不稳定问题，出现共振损坏，被迫停机修复一年，修复32 项后在补气系统的支持下正常运行。具体情况如下：第二电厂的14 号水轮机在1992 年5 月开始运行，13 号水轮机在1992 年7 月开始运行，两个水轮机分别在运行4194h 和2670h 后，因事故被迫停机。事后据电厂人员分析，初期水库水位较低，电站水头也较低，约为100m，在这种情况下水轮机运行正常。此后，由于水库水位上升，在水位达到457.2m 时，电站水头随之增高，水轮机运行振动开

28、始增大，运行部门检测到噪声、振动不正常，但是加拿大制造及安装商认为这是大水轮机运行过程中的正常现象，没有做出任何处理。随后，现场人员发现尾水管进入孔的廊道内，出现尾水管椎管壁漏水现象。两台水轮机相继停机。经检查发现：在尾水管椎管段，靠进口处沿水平方向有数条裂纹，每条长度不到1m，总长度约为34m；座环和低环的52 个连接螺栓松动；经超声波探伤，靠近上冠的转轮叶片进口边有裂纹。这次事故事后分析主要原因有：电站运行水头变幅很大，水轮机的尾水管在高水头工作时候产生涡带，并且在部分负荷区涡带有扩大趋势；在高水位部分负荷运行区里，转轮进水边冲角的增大使得水流在叶片负压侧形成涡流，在叶片上诱发了振动；尾水

29、椎管的选材也存在问题，用的是抗疲劳强度差的奥氏体钢板。表1中举了几个国内外比较典型的出现水轮机稳定性问题的水电站：表1 国内外出现水轮机稳定性问题的水电站电站名称国家总装机容量（MW）稳定性问题的具体表现古里水电站委内瑞拉10300振动、空蚀严重大古力水电站美国6809振动、空蚀严重，发生定、转子碰撞事故菩彦-舒申斯克水电站俄罗斯6400发生厂房破坏，机毁人亡重大事故大朝山水电站中国云南1350卡门涡产生蜂鸣，叶片出现裂纹小浪底水电站中国河南1800异常噪声，大轴抖动刘家岭水电站中国甘肃1200磨损严重、水轮机出力不足三门峡水电站中国河南1200磨损严重、效率低天生桥一级水电站中国贵州1200

30、正常蓄水位水轮机振动区向大负荷区转移以上可见，水轮机出现稳定性问题的现象十分普遍，表现形式基本上是水轮机振动增大，一旦水轮机出现稳定性问题，水电站正常运行发电就会受到影响，严重时水电站可能遭受巨大的损失和灾难。因此，防范、消除水轮机可能存在的不稳定问题，保证水轮机在安全、稳定的范围内运转在任何情况下都是迫在眉睫，刻不容缓的。2.2 水轮机运行稳定性研究方法水轮机稳定性问题的研究一直以来是一道世界性难题，它的复杂性在于水轮机稳定涉及到水力，机械和电气等多个因素，由这些因素共同作用。20 世纪50 年代到现在，国内外许多科研单位和专家学者对水轮机稳定性都做了大量的理论和实践研究，取得了显著的研究成

31、果。水轮机振动水平是评判水轮机运行稳定性的重要标准。影响水轮机振动的因素很多，主要包括机械，电磁和水力，它们是引起水轮机振动的主要激振载荷。水力原因引起的水轮机振动主要有：尾水管涡带、转轮叶片的冲击、卡门涡以及流道中的不均匀流体。机械原因引起的振动主要有：转动部件的偏心和轴承间隙大小不均。电气原因引起的振动主要有：磁拉力的不均匀、定子极频转动以及发动机定子与转子间气隙不均匀等。水轮机振动的研究方法有很多。较常用到的方法是有限元分析法，结合振动理论与水轮机轴系振动的特点，利用有限元分析法计算水轮机轴的固有振动频率和振动幅值。根据实际的振动分析了整个水轮机轴发生超标振动的可能性，进而总结了水轮机振

32、动的变化规律。综上所述，国内外研究人员已经从模型试验、真机试验和理论研究这三个方面对水轮机稳定性进行了大量有效的研究，研究成果显著。在我国，水轮机的稳定性问题一直都是业界的研究重点，科研工作人员投入了大量的精力，也取得了很多的成绩，但摆在面前的困难依然还很多，主要困难集中在水轮机稳定运行的理论创新上。3 水轮机稳定性评估水轮机稳定性问题的评估办法通常用振动、摆度和水压脉动这三个指标来衡量。振动是描述水轮机部件空间上的形状变化和速度特征。摆度是描述轴线往复运动距离大小的程度。脉动是描述水轮机内部流体压力状况。国内外众多的实验研究表明，造成大型混流式水轮机运行不稳定的因素主要有3 个：即水力因素、

33、电气因素和机械因素。其中水力不稳定现象广泛存在于混流式水轮机中，其表现形式有多种：如尾水管涡带、高部分负荷压力脉动和水力自激振动等不稳定现象。水力不稳定是水轮机稳定性问题存在的内在因素，也是引起其他不稳定性表现的根本原因。振动也是影响限制水轮机运行的一大因素，强烈的振动不仅影响水轮机的正常运行，缩短零部件的使用寿命，而且会使发电机的输出功率产生振荡，引起共振时将会产生巨大的危险。水轮机的振动问题十分复杂，虽经过大量的长期的研究，对水轮机准确预测和完善解决依旧比较困难，同时水轮机行业也缺少对大型水轮机的振动稳定性判定的标准和依据。3.1 水轮机尾水管水压脉动机理尾水管涡带是混流式水轮机在部分负荷

34、工况下的一种必然现象，它是影响水轮机振动的重要因素之一。尾水管涡带压力脉动的烈度在工程上用H/H 相对值表示。流道壁内压力脉动是水流内部絮动在边界上的反应，流体中流速脉动和压强脉动之间的关系是探讨压力脉动的基础。通过N-S方程的散度运行，可以得到脉动压强的基本方程式：上式中：表示脉动压强；表示流道壁截面上的速度分量；表示流道壁截面上的两个位移方向。根据公式可以看出，压力脉动来自流速的脉动。上式右边的第一项表示的是速度梯度项，由剪切力和流速脉动的相互作用引起的，被称为“絮动剪切”项。第二项是脉动的作用，称之为“絮动絮动”项。以上两项反映了絮流压力脉动的本质。上式还能看出：瞬时压力脉动仅与该瞬时流

35、场的运动特性有联系，与流体的特性，如粘性、重力等不以显函数出现。以上即是压力脉动产生原理。尾水管主要有弯肘形尾水管和直锥形尾水管两个类型。国内大型水轮机一般采用的是弯肘形尾水管，弯肘形尾水管有以下特点：经济实用、挖掘深度小，并且能较好回收转轮出口能量。弯肘形尾水管由三部分组成：出口扩散管、进口锥管和弯型肘臂，如图所示。目前研究表明，尾水管压力脉动是混流式水轮机以及轴流定浆式水轮机中普遍的现象，对绝大多数水轮机的稳定运行构成巨大威胁。弯肘形尾水管示意图尾水管压力脉动在部分负荷时由尾水管涡带引起。尾水管涡带的产生还与导叶开度有关。在导叶开度为40%70%或者最优流量的30%80%的范围内产生。水轮

36、机中尾水管的水压脉动在所有压力脉动中最大，是造成出力摆度和水轮机振动的最主要的根源，基本上可以认为尾水管的压力脉动特征代表着水轮机稳定性的指标。水轮机稳定问题原型试验以直接研究水压脉动信号值为依据，这种方法十分简单有效。水压脉动研究内容分为两个方面：水压脉动的幅值变化和水压脉动的频谱组成。在原型水轮机试验中，小负荷和部分负荷的压力脉动存在峰值带，并且在水轮机的特定部位，如蜗壳进出口、尾水管等部位会出现大的压力脉动幅值。虽然有些压力脉动的幅值不大，但频率与水轮机共振十分接近，其危害程度可能更大一些。因此在考虑压力脉动引起的水力不稳定的同时，也要把水轮机的振动、摆度考虑在内。对水压脉动的频率分析一

37、般包括涡带频率分析和转频、倍频频率分析。3.2 水轮机振动分析水电界的振动不能简单等同于物理力学中的振动。这里说的振动泛指水轮机部件的机械振动和摆度，其中也包括共振和自激振动状态下的振动。水轮机在运行过程中产生振动受到水力、机械和电磁三个因素的影响。当水流振动激起水轮机，特别是上、下机架振动时，会导致发电机的定、转子间的空隙发生变化，从而影响水轮机内部电磁力的剧烈变化，产生电磁拉力、电磁阻尼等。同样地，当转动部件的运动情况出现变化时，又反过来对过流部件产生作用力，对流道里的流体产生影响。所以说，水轮机的振动是水力、机械和电磁三个因素耦合作用的结果。水轮机振动可以分为常见振动与异常振动。常见振动

38、是由不可避免的因素引起：1、水轮机中的不平衡力；2、尾水管中的涡带压力脉动。常见振动在任何水轮机中都是存在的，它不能被消除，只需要被控制在合理的范围之内，保证它的大小不影响水轮机的正常运行即可。常见振动幅值的控制方法有减小激振力和增加水轮机部件的刚度。显然，上述的两个控制方法是在设想的数学模型中，计算边界条件下振动部件的振动特性，它完成在水轮机的设计阶段。异常振动是由偶然因素引起的，是可以避免的。它的产生原因主要由共振和自激振动，其中包括水体共振和机械共振，以及由此产生的压力脉动和自激振动。鉴于异常振动都十分强烈，因此不能让异常振动出现在水轮机运行工况中。因为异常振动是共振，所以消除异常振动最

39、有效的途径是错开激振与水轮机振动部件的固有频率。水轮机振动评价标准中的振动评价特征值有位移和速度两种，振动速度用于含有高频非周期分量的振动测量，能更为正确地表征振动量大小。振动位移则不但更加直观，而且在水电水轮机的长期运行中积累了大量经验。实际应用上，以水轮机额定转速为标准，300r/min以上的水轮机用振动速度评价，300r/min以下的水轮机则用振动位移来评价。现行标准没有启动、停机、负荷快速变化、甩负荷等过度过程工况，也没有充分考虑水轮机巨大的尺寸对振动评价标准的影响。大量的现场试验结果表明，水轮机的振动稳定性水平和水轮机的尺寸有明显的相关性。随着水轮机尺寸的增大，水轮机的稳定性水平有越

40、来越差的趋势。4 水轮机运行的稳定性随着技术的发展，国内外越来越多的大型乃至巨型机组相继投入运行，水轮机比转速和单机容量也不断提高。水轮机导叶相对高度增高，机组尺寸增大，相对刚度减弱，加上电站水头变幅大，机组运行工况有时欠佳，从而使得水轮机运行稳定性问题日益突出，已逐渐引起广泛的重视。水轮机运行稳定性常体现在以下几个方面：工作水头和出力的波动；Tg压力脉动，水流周期性冲击；机组支撑部分的振动；机组转子振摆；调速系统的振荡；机组内部不正常的音响(噪音、异常声音)等。上述稳定性问题，都是不同形式的振动问题，所以水轮机运行不稳定性的基本表现形式就是振动。水轮机在电网中担负着系统调峰和调频的作用，作为

41、电网能源的主要动力来源，水轮机长时间的不间断运行是难免的。因此我国大部分混流式水轮机 裂纹的产生是由于疲劳运转的原因，在不间断的旋转状态下，会有交变动态载荷和压力脉动的强大作用，这种情况下，混流式水轮机的运转就会处于疲劳状态，如此情况循环的运转，会加大裂纹产生的几率。对水轮机的稳定产生影响。根据水轮发电机组的运行特征，表征水轮发电机组稳定运行的参数主要有振动、摆度和压力脉动，其中振动是水力机组稳定性的最重要指标。混流式水轮机的运行稳定性与工况（n、Q或水头，出力P）、制造和安装质量相关。也和电站设计和水轮机参数选择的正确与否，如与吸出高度H、尾水管高度、机组尺寸、比转速等有关。按一般的概念，选

42、型正确的水轮机，如果吸出高度的裕量适当大些，尾水管高度适当高些，转轮尺寸较小些，比转速较低些，对运行稳定性肯定会有利些。振动是所有旋转机械的固有属性，总存在振动，振动是不可避免的，其存在不受电站寿命的影响。它们的数值取决与许多因素，其中包括：机组在不同工况下流道中的流态、设计特性及制造。安装和维护情况等。在极端情况下，水力机械的振动能导致产生顺轮机构建裂纹，甚至导致部件疲劳断裂。在实际运行的水电站水轮机组上，产生振动的原因往往不易判断。有时，各种频率特性的振动混杂在一起，这也给寻找振动原因的工作增加不少困难。长期以来，由于对水轮发电机组的振动特性及故障成因认识不够，加之检测和分析手段落后，水电

43、厂为确保机组的正常运行，不得不对机组规定定期检修制度。这种以寿命、故障可能发生的时间等信息为依据的时间计划检修方式，不仅具有一定的盲目性，而且带来了不必要的损失和浪费。随着广大水电科研人员对稳定性和故障特性的认识的深入，以及电子计算机、信号检测和处理技术的发展，从而有可能借助于现代先进的测试技术手段和分析技术对水轮机稳定性进行监测，以及对故障特性进行识别，从而确定机组的运行状态和对故障的早期诊断。这种以机组的状态、发生异常的征兆等有关信息为依据的状态监测维修方式，能正确的监测机组的运行情况，防止事故与萌芽状态，并且安排合理的检修计划，从而可大大提高机组的利用率。因此，为确保水轮机组的稳定、安全

44、可靠运行，了解机组的运行状态，预测和消除事故隐患，需进行稳定性分析和稳定性试验。通过对水力机组的稳定性分析及试验，可以：1、探讨各类型水轮机组的振动规律及特点，为研究机组的振因、故障识别、振源分析和进行振动处理等提供理论指导，达到对症诊治的目的。2、了解机组运行状态，预测事故的发展趋势，确定机组的检修时间，通过振动信号的分析处理进行故障诊断和处理。3、为改进和提高水力机组设计、制造、安装、运行水平和机组技术改造提供可靠的科学依据。4、分析各种工况下机组的不平衡力、电磁力以及水力作用对机组稳定性的影响和其它不利于稳定运行的因素，知道电厂安全、可靠运行。机组振动的原因比较复杂，在事先难以完全避免，

45、待电站建成后要改进弥补就更加困难。引起机组振动的原因一般来说主要有以下几个方面：4.1 电气方面由于水轮发电机设计不合理或制造、安装质量不良所产生。如转子不圆，转子几何中心与旋转中心不一致，转子匝间短路，定子不圆，合缝间隙过大，定子铁芯装压不紧等。水轮发电机转子的临界转速在大多情况下均高于其工作转速，经研究发现当临界转速接近于2倍或3倍工作转速时，会出现超谐波共振；对于特殊要求的水轮机组，若设计临界转速低于其工作转速，则当临界转速接近于12倍或13倍工作转速时，会出现次谐波共振。4.2 机械方面由于水轮机和水轮发电机的结构不良或制造、安装质量不良所造成。如转子质量不平衡，轴线曲折、倾斜，推力轴

46、承安装不良以及导轴承间隙过大等。叶片上冠、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。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。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。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。4.3 水力方面4.3.1 尾水管涡带混流式水轮机在部分负荷运行时，由于偏离设计工况而使转轮出水边环量增大形成涡带。当涡带在尾水管

47、中旋转运行或湍动时，就会引起尾水管产生低频压力脉动，脉动频率一般为转频的几分之一。当脉动频率与机组自振频率或厂房自振频率接近时，就会产生共振，引起机组或厂房的剧烈振动。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，当真空达到一定的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作用。尾水管涡带是引起机组振动的一个十分重要的因素：或形成不稳定的振动区限制机组运行范围，或损坏设备本体造成停机，同时也是机组噪声的一个主要来源。4.3.2

48、卡门涡水流流过圆柱体或翼型，当雷诺数大于40时，在其后面会形成几乎稳定的、有规则的对称旋涡，即卡门涡。卡门涡与叶片或固定导叶发生共振时会使叶片产生疲劳破坏或裂纹，并伴随强烈的噪声。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。当叶片自振频率与冲击频率相同，便产生共振。早期的黄坛口水电站，就是卡门涡破坏的典型代表。4.3.3 水力不平衡在水轮机流道内，当某一部分水流失去轴对称出现不平衡的横向力时，可引起压力脉动或振动。如导叶和转轮叶片的开口不等，转轮止漏环间隙不均或流道内有异物等。龚嘴电站3号机转轮叶片对面侧流道面积相差达10，引起摆度

49、达07mm，被迫限负荷在70以下运行2年多。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的动态载荷的影响。由于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，就有一定作用在转轮上的横向水压力的合力，该合力总是迫使转轮中心进一步偏离机组中心，加剧水轮振动。当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。4.3.4 叶道涡当水轮机偏离最优工况运行时，转轮进口水流冲角过

50、大，导致叶片头部脱流空化，形成叶道涡。一般来说，初生叶道涡的强度较弱，不会造成危害，一般也不足以引起振动，但叶道涡发展到严重程度时，就会在叶片负压面产生空化，并引发高频振动或机组产生共振。如塔贝拉电站水轮机的振动破坏。5 提高水轮机稳定性5.1 水轮机Hmax/Hmin的变化范围混流式水轮机在设计时要保证水头处有一个较为稳定的运行区间，这个区间可以在一定程度上减小振动和裂纹，这二处危害减弱了，水轮机的运行平稳性就能得到很好的体现。所以在设计混流式水轮机的转轮时考虑叶片折水力负荷，这种固定式的叶片式的水力机械在设计时水头变幅不宜过大。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，

51、最大水头与最小水头的比值应控制在1.5以内。5.2 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。为了保证水轮机的稳定性，所以在选取水轮机时要注意水轮机的比转速，要控制水轮机的比转速不能过高，以使对水轮机的强度造成影响，同时也会减弱水轮机的磨损度，使稳定性难以保障。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，减小单位流量。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。三是根据电站特点，正确设计转轮叶型。采用

52、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。5.3 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10080MPa，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

53、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。5.4 水轮机制造质量水轮机是电网运行的保障，所以水轮机的质量至关重要，良好的质量对水轮机的运行起着稳定的作用，因此在水轮机制造过程中对各个部件及工艺都要进行强化控制，保证出厂验收的手续，确保出厂的合格率。5.5 制造工艺和检修质量(1)水轮机转轮是水轮机的心脏。直接影响着转轮的效率、抗空化性能和运行稳定性。水轮机过流表面的翼型是理想的水力设计，但必须采用先进的制造1二艺来实现。小浪底水电站转轮13个叶片之所以全

54、部出现穿透性裂纹，是制造该水轮机的公司采用专利技术转轮焊后不退火。焊后残余应力过高所致。在大中型水轮机组制造上，过去采用的“砂型铸造一砂轮铲磨一立体样板检测”的制造工艺，已不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用的五轴联动数控加工技术是当今机械加丁中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五轴联动刀位轨迹规划和计算：加T雕塑曲面体的刀轴控制技术：切削仿真及干涉检验：后处理技术等。这些先进的制造工艺对保证制造质量至关重要。(2)要严格控制检修质量。对于

55、转轮的裂纹、磨损及尾水管的撕裂、掏空检修T作量极大，难于保证质量。三门峡水电站4号机进行扩大性检修最多消耗焊条9 t多，刘家峡水电站2号机组一次大修堆焊焊条量达7 t。由于检修补焊打磨，叶片型线会发生变形，特别是多泥沙河流上的水电站。检修时需要大量补焊焊条必然会使叶片产生变形，加之目前还没有较理想的补焊材料难免存在局部表面质量和叶型达不到要求的现象。随检修次数增多，翼型变化越大，表面质量越难于保证投运后会严重影响机组的稳定性。为提高焊接质量，目前已推广使用机器人施焊的方法。机器人焊接，不仅可减轻人的劳动强度，而且能够提高效率、保证质量。三峡水电站机组已经成功应用机器人焊接，哈尔滨电机厂也开始使

56、用机器人进行焊接。另外，为保证检修质量，一些发达国家非常重视水轮机转轮叶片的测绘丁作。叶片测绘是评定产品转轮与设计行线的偏离程度及叶片实际空间位置的偏差、检查制造厂制造质量的重要手段，也有利于提高机组效率及改善稳定性。5.6 尾水管涡带引起的振动水轮机在部分负荷(一般为满负荷的40一75)运行时，尾水管内由于复杂的涡旋运动，而出现涡带的大幅度振摆，从而引起尾水管壁及转轮的剧烈振动，严重时甚至可能造成引水管和厂房的共振。减少已存在的脉动，可以采取以下几种措施：(1)选择正确的尾水管内流速分布，并在水流进入肘管和喉部以前，降低锥管段的流速是很重要的。建议所有机组尾水管喉部的流速不超过35 ms。这

57、样将使转轮出口流速在进入尾水管锥段时急剧降低，从而导致尾水管中心部分压力增加，同时也就减小了涡旋强度和转轮叶片下面的涡带，减小了尾水管中的压力脉动。(2)改变泄水锥或尾水管的结构。拜德埃斯普瓦电站将转轮泄水锥伸出转轮底部约600 mm。加长泄水锥，使其处于涡带的低压真空处。经这一改装，该电站所有机组运行稳定。加长尾水管锥段，加长锥管和加大扩散角、支墩尽量靠近下游侧，都可以增加尾水管的效率和稳定性。加大尾水管锥角，尾水管锥角扩大后，尾水管的涡带刚刚形成即扩散消失，不能形成长尾水涡带，撞击管壁。所以尾水管相对振幅较小。(3)补气。补气不仅能够提高流场内部压力，改善空化条件，而且可以起阻尼作用，改变

58、涡体固有振动频率而消除共振。对补气的效果和最优补气量需要进行大量试验研究确定。补气一般可以通过尾水管壁周向分布的补气管实现，要求补气出口面积尽量小。以形成节流效果。有时也可采用射流泵式补气方式，这种补气方式不需要额外动力源，适用于吸出高度在一l-4 m范围内的水轮机。如果不要求从管壁补气，推荐使用中心补气，可以有置种方式：大轴中心孔补气、顶盖和转轮轮毂、尾水管中的三角架等。国内外的研究表明，在中、高水头的水轮机中，当转轮直径D。4 m、相对振幅大于35、水压脉动绝对值大于50 kPa时，应进行补气以消除水压脉动。已查明。为了保证混流式水轮机在低负荷工况(15卅0负荷)下稳定运行，必要的补气量为

59、额定出力下水流量的08一12；在中负荷工况(5070负荷)下为O1O3。(4)装设稳流装置。在补气效果不佳而强迫补气可能不经济时，加装稳流片成为另一种选择。稳流片的形式一般为三角翼型，即横断面为三角形。头部纵向也为三角形，安装方式是沿水流方向焊接在尾水管锥管段的管壁上。有2个、3个或4个的组合，周向等距布置。实际运行结果显示，稳流片有减弱旋转流场强度、提高空腔压力、消除振动的作用；同时稳流片也有改善效率性能的作用。如杰巴水电站模型在转轮下方安装了8个弧形稳流片以提高满负荷的效率，通过产生正向同步涡旋提高效率115。在三峡水电站设计中，考虑到水轮机运行水头变幅较大且可能产生水力不稳定现象。研究了补气和稳流装置，提出了三种形式的稳流片方案并进行了模拟实验，取得了一定的研究成果。十字架减振装置可使高负荷工况时的涡带脉动值降低70，此法在努列克水电站9台机组上得到实施，使水轮机出力增加96。结 论通过几个月对水轮机稳定性的研究，我对影响水轮机稳定性的因素有了很大的了解，也知道了水轮机稳定性对水电站运行有着很大的影响。在还没开始研究水轮机稳定性时，我大二下学