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混流式水轮机压力脉动与振动稳定性研究进展桂中华;常玉红;柴小龙;王勇【摘要】混流式水轮机水力振动是影响水电站安全稳定运行的关键问题之一,研究混流式水轮机不稳定流诱发的压力脉动和振动问题,对于提高机组和水电站的运行稳定性有着十分重要的意义.本文着重介绍了水轮机压力脉动与水力稳定性模型试验、水轮机压力脉动与振动数值模拟以及水轮机转轮动应力与叶片裂纹研究方面的最新成果.在总结、分析现有研究成果的基础上,提出了混流式水轮机压力脉动和振动稳定性领域需要进一步研究的问题.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P61-65)【关键词】混流式水轮机;压力脉动;振动稳定性;动应力;现状【作者】桂中华;常玉红;柴小龙;王勇【作者单位】国网新源控股有限公司技术中心,北京100073;国网新源控股有限公司技术中心,北京100073;国网新源控股有限公司技术中心,北京100073;国网新源控股有限公司技术中心,北京100073【正文语种】中文【中图分类】TK733+.10 前言混流式水轮机转轮的振动，关系到机组能否正常运行，是水利水电建设中亟待解决的关键问题之一。
由于混流式水轮机转轮叶片是不可调的，在非设计工况下，转轮叶片的进口边附近将会发生脱流。
脱流产生后，容易使这个区的水流变得不稳定而引起压力脉动，同时转轮叶片出口漩流会在尾水管中形成涡带，尾水管涡带在周期性非平衡因素的影响下产生偏心，这种偏心的涡带运动产生的压力脉动[1]，通过反射、传递作用于转轮叶片。
混流式水轮机在多种水力激振力的共同作用下，产生叶片压力脉动和自激振动，严重时甚至导致叶片裂纹，威胁机组的安全运行。
近年来，国内外多家水电站相继出现了转轮叶片振动与裂纹，如俄罗斯的萨阳、美国的大古力，我国的岩滩、天生桥2级、李家峡、五强溪、大朝山等，水力稳定性诱发水轮机的振动问题引起了行业界的普遍关注[2]。
进入21世纪后，我国有一大批容量为700MW的特大型机组陆续投入运行，一旦发生振动或裂纹问题，其影响和危害将更为严重[3]。
2020.18科学技术创新改测量程序，最终测量误差稳定在20微米以内，测量程序运行时间3分30秒,照老式测量方法缩短了时间，提高了测量精度，满足了用户测量要求。
并且测量结果可打印。
4测量情况介绍在用户调试滚道测量程序时发现测量数据不稳。
经反复试验比对分析发现温度变化对测量数值影响很大，环境温度改变、机床运转会使油温上升使工作台和横梁产生变形,影响测量数据准确值。
由于机床和工件都存在热胀冷缩，对测量数据影响较大应选择机床在恒温车间工作，并且选用较大容量的油冷机使油温能稳定控制在相对稳定的范围内。
增强测量支架刚性，不要制作太长。
测量探针可选用短一些，能减少测量误差。
选用精度高和保持性好的十字滑台，目前的十字滑台位置控制精度没有达到设计要求。
测量基准点不应设立在工作台、立柱、横梁上，应单独设立，并选用不易受热变形的材质。
做好隔离防护带，防止外部震动对机床加工和测量的影响。
5结论滚道测量功能的开发，降低了操作工人在工件测量上的难度，提升了工作效率和检测质量，为用户节约了大量的人力成本和时间成本以及培训成本，机床的使用为用户创造了巨大的利润。
同时，提升我公司该系列机床的产品竞争力，丰富了产品功能，同样为企业创造了可观的经济效益。
参考文献[1]SINUMERIK 840D/840Di/810D 编程说明，2004（3）.[2]SINUMERIK 840Di sl/840D sl/840D 基础软件和HMI 高级版，2009（3）.混流式水轮机的应用现状与技术发展马昌军（甘肃省节能投资有限责任公司，甘肃兰州730030）由于我国水资源储量较大，具有极大的开发前景，且大部分水头在20-700m 之间，在以往受到水轮机组的影响，在大水头条件下一般只能使用冲击式水轮机机型。
现今，随着国内外水轮机制造技术的不断进步，混流式水轮机逐渐被运用于高转速、大容量情况，我国许多大型水电站都采用混流式水轮机型。
混流式水轮机与传统的冲击式水轮机相比具有尺寸小、重量轻、转速高以及水力效率高等优点，能够带来极大的经济效益，且在后期机组的维修养护方面比冲击式水轮机更加的便捷、简单。
混流式水轮机的水力性能优化研究概述混流式水轮机是一种常见的水力机械装置，被广泛应用于水电站和水资源利用项目中。
对于混流式水轮机的水力性能进行优化研究，可以提高其能效和发电能力，减少水资源的浪费。
1. 混流式水轮机的原理和特点混流式水轮机是一种将水能转换为机械能的装置。
其原理是通过引导水流进入轮机，经过转轮的作用，使水能转化为轮机轴上的机械能，从而驱动发电机组发电。
混流式水轮机的特点包括叶轮结构合理、转速范围宽、出力平稳等。
2. 水力性能优化的意义水力性能优化是指通过对混流式水轮机的结构和工作参数进行调整和改进，以提高其效率和性能。
优化混流式水轮机的水力性能可以降低发电成本，提高发电厂的经济效益，减少水资源的浪费，保护环境。
3. 影响水力性能的因素混流式水轮机的水力性能受到多种因素的影响，包括轮机结构、叶轮形状、进出口流道的设计、流量和转速的选择等。
其中，叶轮结构的优化、流道的流线型设计以及轴功率和效率的匹配是关键因素。
4. 水力性能优化方法（1）叶轮结构的优化：通过采用先进的设计工艺和材料，优化叶片的几何形状和叶片间隙的设计，以减小水流对叶轮的阻力，提高转轮的效率。
（2）流道的流线型设计：通过合理的流道设计，减小水流的阻力，降低能量损失，提高混流式水轮机的转化效率。
（3）轴功率和效率的匹配：根据工作条件的需求和电网负荷的变化，调整和匹配水轮机的叶轮转速和功率，以保持最佳的效率和性能。
（4）进口和出口流道的调整：通过优化进口和出口流道的形状和尺寸，减小流动阻力，提高转轮的效率。
5. 水力性能优化的实践案例水力性能优化的实践案例表明，通过合理的设计和调整混流式水轮机的结构和工作参数，可以显著提高其效率和性能。
例如，通过优化叶轮的几何形状和叶轮间隙的设计，可以提高叶轮的效率，降低转动阻力，使混流式水轮机的转化效率提高10%以上。
此外，在流道的流线型设计方面，合理使用隔音板和缩尺进口流道，可以降低流动阻力，提高转轮的效率。
混流式水轮机的水动力特性研究与优化混流式水轮机是一种常见的水力发电设备，广泛应用于水电站和水力发电厂。
其独特的结构和设计使得其在转速范围内具有较高的效率和可靠性，同时适应范围广，适合多种水源条件。
本文将对混流式水轮机的水动力特性进行研究，并提出优化措施，以改善其性能和效率。
混流式水轮机的水动力特性主要包括流体的流动和叶轮的工作。
在设计和优化过程中，需要重点关注以下几个方面：进口流场的分析、叶轮叶型的设计、流经叶轮过程中的流体力学特性、叶轮和排水管系统的匹配等。
首先，进口流场的分析是研究混流式水轮机水动力特性的基础。
通过对进口流场的特性进行分析，可以确定流体的初始状态和速度分布。
这将有助于进一步分析叶轮叶型的设计和流体力学特性的研究。
其次，叶轮叶型的设计是优化混流式水轮机性能的关键。
叶型的设计直接影响到流体在叶轮中的流动情况和叶轮工作效果。
通过合理优化叶轮的叶型设计，可以提高水轮机的功率输出和效率。
一种常用的方法是利用数值模拟和实验数据，通过多次优化，找到最佳的叶型参数和结构。
另外，在研究混流式水轮机的水动力特性时，需要对流经叶轮的流体力学特性进行研究。
这包括叶轮的受力情况、流动分离和阻力损失等。
通过数值模拟和实验测试，可以获得叶轮转速和功率输出之间的关系，进而优化叶轮的设计。
最后，混流式水轮机的排水管系统也需要与叶轮匹配，以确保流体流动的顺畅和能量的最大化利用。
排水管系统的设计应考虑流量、压力和速度等因素，并与叶轮叶型的设计相协调。
优化排水管系统的结构可以进一步提高混流式水轮机的效率和性能。
对于混流式水轮机的优化，除了上述水动力特性的研究外，还可以考虑其他方面的改进措施。
例如，引入可变叶型技术和流量调节装置，以适应不同工况下的能力需求。
同时，采用新型材料和制造工艺，减小叶轮的质量和惯性，提高响应速度和工作稳定性。
总之，混流式水轮机的水动力特性研究与优化是提高水轮机性能和效率的关键。
通过对进口流场的分析、叶轮叶型的设计、流体力学特性的研究以及排水管系统的优化，可以进一步改善水轮机的性能和效率。
混流式水轮机的水力传动与控制系统研究混流式水轮机是一种常用的水力发电机组，利用水流的动能来转化为机械能，进而产生电能。
水力传动与控制系统是混流式水轮机运行的关键部分，它能够控制水流的进出和转化机械能的效率，从而实现优化的发电效果。
一、水力传动系统混流式水轮机的水力传动系统主要由水导叶、转轮和供水管道组成。
水流经过供水管道进入转轮区域，在旋转的过程中，水导叶的角度可以通过调节系统控制，以改变水流的流量和速度。
进而调整转轮的转速和转矩。
水力传动系统的设计与优化关键是提高水轮机的转速和转矩控制性能，提高水轮机的效率。
发电过程中，水流的能量转化主要集中在转轮上，因此转轮的设计和制造至关重要。
合理的叶片形状和结构可以最大限度地利用水流的能量，提高水轮机的效率。
同时，考虑到水流的稳定性和流动的均匀性，供水管道的设计和布局也需要细致考虑。
通过对水力传动系统的优化设计和改进，可以实现混流式水轮机的高效运行。
二、控制系统混流式水轮机的控制系统主要用于控制水轮机的转速和转矩。
常用的控制方法包括调速器和调功器。
调速器通过改变水导叶的开度来调整水轮机的转速，进而实现对发电机组输出电压和频率的控制。
调功器则通过控制水导叶的开度和转轮的转速，来实现对发电机组输出功率的控制。
控制系统的关键是如何实时感测水轮机的转速和转矩，并通过反馈控制方式来调整水导叶的开度和转轮的转速。
常用的转速和转矩感测技术包括光电转速计、振动传感器和力矩传感器等。
这些传感器能够实时监测水轮机的运行状态，通过信号反馈给控制系统，进而实现对水导叶和转轮的控制。
此外，控制系统还应考虑到对水轮机的安全保护和运行稳定性的要求。
如异物检测和排除装置，用于检测和清除掉进水轮机中的杂物，以防止损坏水轮机的叶片和其他关键部件。
同时，控制系统应具备故障自诊断和自动切换功能，以保证水轮机在异常情况下的安全运行。
三、研究进展与挑战混流式水轮机的水力传动与控制系统已经取得了一定的研究进展和应用成果。
大型混流式水轮机的应用现状与技术发展混流式水轮机的应用范围广，结构简单，运行稳定，效率高。
它是现代应用最广泛的水轮机之一。
我国自引进大型混流式水轮机以来技术不断提高，水轮机容量从最初的几百千瓦发展到三峡的70万千瓦，水轮机的效率也提高到95%。
但大型混流式水轮机的发展过程中也遇到了一些难题：水轮机泥沙磨蚀；导叶漏水量过大；工地安装困难；机组振动、摆度过大。
通过长短叶片转轮技术，计算流体动力学（CFD）解析技术，泵板+非接触式间隙密封等技术的应用推广，大型混流式水轮机的问题得到了有效改善。
标签：大型混流式水轮机；应用现状；技术难题；改进技术1 前言混流式水轮机水流经转轮的径向，然后沿轴向大致流出流道。
混流式水轮机也曾被称为辐轴流式水轮机，美国工程师弗兰西斯于1849发明了它，也被称为弗兰西斯涡轮机。
混流式水轮机水头宽（约20～700米），结构简单，运行稳定，效率高，是目前应用最广泛的现代水轮机[1]。
据不完全统计，中国已投入500多个大中型水电站，其中混合流动单元超过320个。
由此可见，混流式水轮机是最常用的。
2 混流式水轮机的应用现状2.1 混流式水轮机的优点混流式水轮机具有以下优点[2]：●尺寸小，转速高，机组造价比冲击式水轮机低；●能量指标高，效率比冲击式水轮机高；●额定工况下，发足装机容量时，过机流量会少一点；●可以更加充分利用电站水头，还可局部回收尾水管动能；●混流式机组及其附属设备在安装、运行和维护方面相比冲击式机组有较大优势；相比于其他形式的水轮机混流式水轮机在高水头大流量的情况下更加适用，因此国内外大多数大型水电站都采用了大型混流式水轮机。
2.2 水轮机容量经过几十年的技术发展，中国混流式水轮机的装机容量由最早的石龙坝几百千瓦发展到三千瓦的70万千瓦级，2012年发展到80万kW级。
水轮机直径从0.71m发展到三峡的10.4m。
2.3 水轮机的效率中国大型混流式水轮机水力设计取得了重大进展。
浅析大型混流式水轮机水力的稳定性
【摘要】结构简易和水头范围广，以及拥有成熟的制造技术等特点，使得混流式机组普遍的应用于大型水电站的开发中。
但是，大型混流式水轮机水力的稳定性还存在一些问题，如何解决已存在的问题是本文主要探讨的问题。
本文将具体围绕大型混流式水轮机水力的稳定性存在的问题，以及保证大型混流式水轮机水力的稳定性的对策两方面的内容展开论述。
【关键词】大型混流式水轮机；水电站；稳定性
我国水资源较丰富，水资源在使用过程中无污染，同时水资源成本较低，只占不到五分之一的煤电成本，所以水资源清洁的可再生成本低的特点使得水资源成为一个国家经济发展的重要物质基础。
利用水资源进行生产，不仅可以保护生态环境，还能节省如媒一类的不可再生资源，因此水资源是国家大力开发和鼓励利用的资源。
1 影响大型混流式水轮机水力稳定性的因素
1.1 水轮机组的振动对机组水力稳定性的影响
近年来，无论是我国生产的还是从国外进口的大型混流式水轮机，在使用过程中都出现了不同程度的振动，进而导致水轮机转轮的叶片出现裂痕，尾水管壁裂开，严重的还导致厂房与邻近建筑物的共振，加重水电站的安全隐患。
大型水轮机的水力稳定性已经受到业内人士的重点关注，大型机组因为振动问题频出，威胁着水轮机组的整体运行。
水轮机组的振动影响水力稳定性属于机械稳定性的范畴，它包含的范围较为广阔。
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
大型混流式水轮机的止漏装置较一般的来说复杂一些，之间间隔的空间也比较小，止漏装置前后形成较大的压力差，一旦水轮机出现非常态的运动时，在间隔的空间容易形成较大的压力脉动。
如果止漏装置的零件精确度没有达到标准，水轮机组在安装时转轮与转轮室之间不一致，以及转动过程中出现的不平衡等因素，都会导致运行过程中失去平衡，间隔的空间是随着机组不断旋转而变化的，在水动力的影响下，使得转轴出现回旋，最终使得整个水轮机组因为剧烈的振动失去平衡，机器停止运行。
1.3 卡门涡以及脱流对水轮机水力稳定性的影响
卡门涡主要出现在水轮机叶片出水的部门，它只能是在叶片产生共振的情况下才会被发现，表现形式往往是单纯的噪音。
目前，卡门涡的规律性特征已经基本被掌握，在水轮机组的设计阶段就会被考虑其中，使得最终避免。
另一个影响因素是脱流，一般情况下脱流发生在水轮机转轮叶片的进口或者出口的边缘，因为脱流形成的压力脉动随机的可能性比较大，即没有规律的振幅变化，没有固定的振动频率，一般只产生没有规律性的流动噪音，通常情况下也是在共振的情况中才被发觉。
1.4 转轮设计制造工艺尚存不足
随着水电事业的发展，水轮机组的容量不断增加，机组的尺寸不断加大，但是转轮设计工艺尚且不满足要求。
减低了机组的固有频率，大型水轮机组更容易发生共振，影响水力的稳定性，机组出现
大幅度的共振，导致水轮机的叶片出现大部分的裂纹。
裂纹极易出现的原因是因为目前大部门叶片的焊接采用的是t型焊接，t型焊接的特点便是较难抵抗超强度的压力。
同时在转轮焊接过程中，因为焊接工艺的不完善以及没有进行应有的热处理，会出现气孔，夹渣等问题，影响水力的稳定性。
2 保证大型混流式水轮机水力的稳定性的对策
2.1 加强水轮机避振运行，保证水力的稳定性
加强水轮机组的避振运行是指在大流域的水电站群体中，为了使得水轮机组可以避免受到振动区的影响。
应该统筹调度整个流域的水轮机组，不仅可以延长机组使用寿命，还可以保证水轮机水力的稳定性，在发现转叶出现裂痕及时进行修补，加之实行了避振运行，水轮机组的稳定性在较大程度上得以改善。
2.2 控制水轮机组的转速
随着科学技术水平的不断发展，水轮机组转轮的设计在大趋势上是追求高比转速水轮机。
在上世纪八十年代，在大型混流式水轮机高比转速实验时发现了一个中等频率的压力脉动现象，将其称之为高部分负荷压力脉动带，它具有脉动频率与转动频率成正比，根据不同的工况形成不同压力脉动。
此种压力脉动随时能够感知到装置空化系数和下游尾水的变化。
在许多实验过程中，压力脉动突然间升到一个数值的现象经常发生于尾水管的肘水管处，但是这个现象只存在于实验过程中，在大型混流式水轮机真机上并未出现，而且其发生原理也不能详细阐述，但是在低转速的水轮机中是没有这个
现象出现的，因此，只是单纯的追求高转速以保证水力的稳定性是非常不明智的选择，在选取转速的同时，要综合考评水质状况，水头的变动幅度以及水轮机的负荷范围等一系列条件因素的综合。
2.3 对转轮叶片出水部分进行修复
许多国内外的实际例子可以证明，对转轮叶片出水部分进行修复可以提高卡门涡的频率和降低振动。
根据研究显示，通过减小转轮叶片的厚度以及改造出水边的形状，改变水流在边界上转轮叶片分离的位置，同时还要减小导致脱流漩涡的频率和强度。
通过各类方法修复转轮叶片的出水部分，可以起到一定消除振动的效果，防止因为共鸣引起的噪声，很大程度上保证了大型混流式水轮机水力的稳定性。
2.4 增强水轮机组振动的消除度，保证水力的稳定性
水轮机尾水管低频涡带引起的振动最直接的消除方法便是将空气注入尾水管的涡带区，不仅可以保证涡带的扩张强度，还能使得水中渗入空气增加水的弹性，达到减轻和消除振动的结果。
根据经验可得，对水轮机大轴轴心进行补气消除振动的效果最为明显，同样在水轮机活动叶片和转轮进水一边对空气进行压缩，在降低叶道涡产生的高频率的压力脉动有很好的效果，两者之间的距离越大，进行补气后的产生的效果越明显。
2.5 水轮机转轮设计工艺的提升
大型混流式水轮机水力的稳定性的内在保证是提升转轮的设计工艺，主要从以下方面着手改变。
通过数值模拟技术对转轮、尾水
管以及涡壳等部件优化设计，cfd优化技术也可以运用其中。
转轮的选材应该着重注意水头的变动幅度是否足够大，稳定性是否良好以及是否具有广泛的高效区的的负倾角叶片。
同时，在不会影响转轮水能量的情况下，注意转轮叶片的焊接头是否采取了大圆弧的形状，因为圆弧形状可以减少因空间形状变化导致的压力集中的状况发生，通过转轮叶片进行一系列脱氧环节，保证转轮的叶片质量。
以上制造工艺的提升都可以保证水力的稳定性。
3 结语
混流式水轮机是我国应用较早，使用范围较广，前景较为广阔的机型，目前，随着我国计算机科学不断发展，各类大型混流式水轮机制造工艺的不断提升，其水力的稳定性方面必然会得到充分的保障。
但是不得不承认，在我国混流式水轮机制造工艺不断提升的同时，水力稳定性的研究依然是需要我国研究者坚持攻克的一个难题，务必更加重视对它的研究。
[责任编辑：王迎迎]。
