水电机组的运行稳定性及水轮机转轮裂纹

1、水电机组的运行稳定性水电机组的运行稳定性及水轮机转轮裂纹及水轮机转轮裂纹樊樊 世世 英英2012.04.15l第一部分第一部分 水电机组的水电机组的运行稳定性运行稳定性第一部分第一部分 水电机组的运行稳定性水电机组的运行稳定性目目 录录1 1 引言引言2 2 电气原因造成的机组运行不稳定电气原因造成的机组运行不稳定 3 3 机械和热力原因造成的机组运行不稳定机械和热力原因造成的机组运行不稳定4 4 水力原因造成的机组运行不稳定水力原因造成的机组运行不稳定5 5 确保水电机组安全稳定运行之策确保水电机组安全稳定运行之策 6 6 机组运行稳定性的评价标准讨论机组运行稳定性的评价标准讨论l1 1 引

2、引 言言1 1 引引 言言随着大中型水电机组尺寸、容量的不断增加，以及随着大中型水电机组尺寸、容量的不断增加，以及运行环境的复杂化，近年来陆续发生了一些带普遍运行环境的复杂化，近年来陆续发生了一些带普遍性的质量问题。如发电机电磁振动、水轮机转轮叶性的质量问题。如发电机电磁振动、水轮机转轮叶片裂纹，以及其它因电气、机械、水力原因引起的片裂纹，以及其它因电气、机械、水力原因引起的运行不稳定所造成的事故。这些事故虽已得到较好运行不稳定所造成的事故。这些事故虽已得到较好地解决。但对事故原因的认识还不够深入，预测手地解决。但对事故原因的认识还不够深入，预测手段和预防措施也不够有力。对此，还需在理论上和段

3、和预防措施也不够有力。对此，还需在理论上和工程实践中继续努力、不断探索创新。工程实践中继续努力、不断探索创新。l2 2 电气原因造成的电气原因造成的机组运行不稳定机组运行不稳定2 2 电气原因造成的机组运行不稳定电气原因造成的机组运行不稳定机组运行不稳定的电气原因多种多样：气隙不均匀机组运行不稳定的电气原因多种多样：气隙不均匀造成的极频振动；分数槽绕组产生的次谐波振动；造成的极频振动；分数槽绕组产生的次谐波振动；定子铁芯松动引起的瓢曲和振动；不对称三相负荷定子铁芯松动引起的瓢曲和振动；不对称三相负荷运行引起的机座和转子振动；电网突然短路引起的运行引起的机座和转子振动；电网突然短路引起的发电机扭

4、振等。发电机扭振等。2.12.1 气隙不均匀气隙不均匀2.1.1 2.1.1 静态气隙不均匀静态气隙不均匀 振动特征：振动特征： 振幅随励磁电流的增加而增大，随发电机出力的增加振幅随励磁电流的增加而增大，随发电机出力的增加而增大。而增大。振幅随气隙不均匀度的增大而增大。振幅随气隙不均匀度的增大而增大。造成发电机导轴承过负荷，引起导轴承振动，并造成造成发电机导轴承过负荷，引起导轴承振动，并造成上机架振动。上机架振动。 举例：盐锅峡举例：盐锅峡10# 10# 、水口、铜街子、水口、铜街子1#1# 。2.1.2 2.1.2 动态气隙不均匀动态气隙不均匀运行中转子磁极松动，可造成动态气隙不均匀。运行中

5、转子磁极松动，可造成动态气隙不均匀。此时，最小气隙的空间位置是变化的。此时，最小气隙的空间位置是变化的。 举例：加拿大曼昆、红岩子等。举例：加拿大曼昆、红岩子等。2.1.3 2.1.3 预防对策预防对策提高定、转子圆度和同心度。提高定、转子圆度和同心度。 修订现行水轮发电机安装标准。修订现行水轮发电机安装标准。 提高安装质量，避免磁极在运行中松动。提高安装质量，避免磁极在运行中松动。2.2 2.2 分数槽产生的次谐波分数槽产生的次谐波 发电机振动特征：发电机振动特征：振幅随定子电流的增加而增大；振幅随定子电流的增加而增大；上机架的振动比较明显。上机架的振动比较明显。 举例：玉堂、三峡右岸举例：

6、玉堂、三峡右岸18#18#。 预防对策：预防对策： 采用分数槽绕组，要仔细进行次谐波振动、噪声分析采用分数槽绕组，要仔细进行次谐波振动、噪声分析及核算。及核算。优化分数槽接线方式，尽量减小次谐波的量级。优化分数槽接线方式，尽量减小次谐波的量级。2.3 2.3 定子铁芯冲片松动及定子铁芯瓢曲定子铁芯冲片松动及定子铁芯瓢曲 振动特性振动特性: :振幅与励磁电流大小有关。振幅与励磁电流大小有关。伴随产生明显的电磁噪声。伴随产生明显的电磁噪声。上机架振动比较明显。上机架振动比较明显。 举例举例: : 漫湾。漫湾。 预防对策预防对策: :提高铁芯的整体性和刚度，对铁芯冲片、冲片漆、拉紧螺杆等提高铁芯的整

7、体性和刚度，对铁芯冲片、冲片漆、拉紧螺杆等选用高质量材料。选用高质量材料。铁芯采用分段热压，确保加热温度、加热时间和合理的压紧力。铁芯采用分段热压，确保加热温度、加热时间和合理的压紧力。铁芯与机座采用径向浮动结构。铁芯与机座采用径向浮动结构。2.4 2.4 不对称三相负荷运行不对称三相负荷运行 振动特性：振动特性：振幅与负序电流的大小成正比。振幅与负序电流的大小成正比。振幅随负荷增加而增大。振幅随负荷增加而增大。定子铁芯的振动呈驻波式椭圆振动。定子铁芯的振动呈驻波式椭圆振动。 预防对策：预防对策： 发电机设阻尼绕组减小负序电流。发电机设阻尼绕组减小负序电流。电力系统在设计、运行中采取措施，减小

8、负序电电力系统在设计、运行中采取措施，减小负序电流。流。2.5 2.5 发电机出口突然短路发电机出口突然短路 振动特性振动特性 突然发生，破坏性强。突然发生，破坏性强。 噪声变化剧烈。噪声变化剧烈。 振动形式为扭振。振动形式为扭振。 破坏机组、危及电力系统。破坏机组、危及电力系统。 举例：江油火电、小浪底、伊泰普。举例：江油火电、小浪底、伊泰普。 预防措施预防措施 进行机网耦合仿真计算，采取必要措施。进行机网耦合仿真计算，采取必要措施。 2.6 2.6 其其 它它 造成机组运行不稳定的电气原因还有：造成机组运行不稳定的电气原因还有： 定子分瓣合缝面松动、错位。定子分瓣合缝面松动、错位。 定子线

9、棒固定松动。定子线棒固定松动。 定子绕组并联支路中存在环流。定子绕组并联支路中存在环流。 转子线圈交流阻抗不平衡。转子线圈交流阻抗不平衡。l3 3 机械和热力原因机械和热力原因造成的机组运行不稳定造成的机组运行不稳定 3 3 机械和热力原因造成的机组运行不稳定机械和热力原因造成的机组运行不稳定 机组轴线不正或对中不良。机组轴线不正或对中不良。 转动部分质量不平衡。转动部分质量不平衡。 机组支撑结构或者轴系刚度不足。机组支撑结构或者轴系刚度不足。 推力轴承制造、调整不良。推力轴承制造、调整不良。 导轴承缺陷或间隙调整不当。导轴承缺陷或间隙调整不当。 轴密封调整不当。轴密封调整不当。 双调机组协联

10、关系破坏。双调机组协联关系破坏。 水斗式水轮机尾水上涨或水斗缺口排流不良。水斗式水轮机尾水上涨或水斗缺口排流不良。 3.1 3.1 机组轴线不正或对中不良机组轴线不正或对中不良 发电机上端轴和转子中心体不同心；发电机上端轴和转子中心体不同心；转子中心体和发电机轴不同心；转子中心体和发电机轴不同心；水轮机和发电机轴心不成一条直线。水轮机和发电机轴心不成一条直线。转轴弯曲、偏心、曲折。转轴弯曲、偏心、曲折。发电机定、转子不同心。发电机定、转子不同心。水轮机上、下止漏环不同心。水轮机上、下止漏环不同心。冲击式水轮机喷管与水斗不对中。冲击式水轮机喷管与水斗不对中。 振动特性：振动特性： 振幅与机组出力

11、无关，空载工况也振动。振幅与机组出力无关，空载工况也振动。 对转速不敏感，对转速不敏感，6060100%100%额定转速范围内振幅较额定转速范围内振幅较大。大。 转轴的径向振动明显。转轴的径向振动明显。 振动主频为转频。振动主频为转频。 预防措施：预防措施： 确保制造、安装质量。确保制造、安装质量。3.2 3.2 转动部分质量不平衡转动部分质量不平衡 振动特性：振动特性：振幅与机组出力无关，空载工况也振动。振幅与机组出力无关，空载工况也振动。振幅大致与转速平方成正比。振幅大致与转速平方成正比。径向振幅大，轴向较小。径向振幅大，轴向较小。主频为转频。主频为转频。 预防措施：预防措施：对可能引起质

12、量不平衡的部件，设计上采取配重措施。对可能引起质量不平衡的部件，设计上采取配重措施。采取可靠措施，防止磁轭运行中不均匀径向外移。采取可靠措施，防止磁轭运行中不均匀径向外移。提高磁轭堆积和磁极挂装质量。提高磁轭堆积和磁极挂装质量。采用先进的检测仪器和计算机软件，优化现场动平衡。采用先进的检测仪器和计算机软件，优化现场动平衡。对高速、长转子，可在转子上、下端不同方位配重。龙对高速、长转子，可在转子上、下端不同方位配重。龙滩采取该措施，消除了转子的不平衡力偶。滩采取该措施，消除了转子的不平衡力偶。3.3 3.3 机组支撑结构或轴系刚度不足机组支撑结构或轴系刚度不足（1 1）振动特性：）振动特性：振幅

13、随转速升高而增大。振幅随转速升高而增大。振幅与刚度系数成反比。振幅与刚度系数成反比。发电机定子振动较为明显。发电机定子振动较为明显。振动主频转频。振动主频转频。（2 2）举例：）举例：青海尼娜、湖南凌津滩、四川青居等灯泡贯流式机青海尼娜、湖南凌津滩、四川青居等灯泡贯流式机组由于支撑结构或者轴系刚度不足，均发生过发电组由于支撑结构或者轴系刚度不足，均发生过发电机转子扫膛。机转子扫膛。（3 3）预防措施：）预防措施：支撑结构应有足够的静、动态刚度。支撑结构应有足够的静、动态刚度。3.4 3.4 推力轴承制造、调整不良推力轴承制造、调整不良 振动特性：振动特性： 空载、低速下即振动。空载、低速下即振

14、动。 振动随轴瓦数的增多而减小。振动随轴瓦数的增多而减小。 负荷机架处的振动较明显。负荷机架处的振动较明显。 振动频率为轴瓦数与转频的乘积。振动频率为轴瓦数与转频的乘积。 预防措施：预防措施： 提高推力轴承的设计制造安装质量。提高推力轴承的设计制造安装质量。3.5 3.5 导轴承缺陷或间隙调整不当导轴承缺陷或间隙调整不当 振动特性：振动特性： 运行一段时间后，振动情况会发生变化。运行一段时间后，振动情况会发生变化。 主频为转频。主频为转频。 振动在空载、低转速下就发生。振动在空载、低转速下就发生。 举例：五强溪等。举例：五强溪等。 预防措施：预防措施： 借鉴同类机组经验，选取合适的冷态间隙。借

15、鉴同类机组经验，选取合适的冷态间隙。 根据振摆和轴瓦温度值，及时调整轴瓦间根据振摆和轴瓦温度值，及时调整轴瓦间隙。隙。3.6 3.6 轴密封调整不当轴密封调整不当 振动特性：振动特性：主轴径向盘根密封、轴承盖板的防油雾密封、轴瓦托架处的压主轴径向盘根密封、轴承盖板的防油雾密封、轴瓦托架处的压力油腔密封，如果调整不当，四周压紧力不均、润滑不良，都力油腔密封，如果调整不当，四周压紧力不均、润滑不良，都会使转轴横断面四周受热不均匀，由热力不平衡引起严重振动。会使转轴横断面四周受热不均匀，由热力不平衡引起严重振动。 振幅随转速上升和运行时间的增长而增大。振幅随转速上升和运行时间的增长而增大。机组再次开

16、机初始，振动会恢复正常。机组再次开机初始，振动会恢复正常。主频为转频。主频为转频。 举例举例: : 瀑布沟瀑布沟3#3#机。机。 预防措施：预防措施： 采用无接触密封结构。采用无接触密封结构。 精心调整，使密封四周间隙、受力均匀，润滑良好。精心调整，使密封四周间隙、受力均匀，润滑良好。3.7 3.7 水轮机导叶和桨叶协联关系破坏水轮机导叶和桨叶协联关系破坏转桨式或贯流式机组导叶和桨叶协联关系不当，也转桨式或贯流式机组导叶和桨叶协联关系不当，也可能引起机组振动。可能引起机组振动。湖南洪江湖南洪江5 5台灯泡贯流式机组自台灯泡贯流式机组自20032003年年3 3月首台机投月首台机投运后一直运行稳

17、定，运后一直运行稳定，20052005年投入年投入AGCAGC后，机组频繁大后，机组频繁大幅度调节，导叶和桨叶协联关系跟不上调节速度，幅度调节，导叶和桨叶协联关系跟不上调节速度，机组振动强烈，退出机组振动强烈，退出AGCAGC后运行恢复正常。后运行恢复正常。广东飞来峡因导叶卡阻，协联关系破坏，造成机组广东飞来峡因导叶卡阻，协联关系破坏，造成机组因强烈振动而事故停机。因强烈振动而事故停机。 3.8 3.8 水斗式尾水上涨或水斗缺口排流引起的振动水斗式尾水上涨或水斗缺口排流引起的振动（1 1）尾水上涨）尾水上涨水斗式转轮附近的空气被高速射流或离开水斗的水流带走后，转轮水斗式转轮附近的空气被高速射流

18、或离开水斗的水流带走后，转轮室会出现真空，引起尾水倒流，扰乱水斗正常工作，引起机组振动。室会出现真空，引起尾水倒流，扰乱水斗正常工作，引起机组振动。广东潭岭和云南以礼河三级水轮机都因此引发过机组的强烈振动。广东潭岭和云南以礼河三级水轮机都因此引发过机组的强烈振动。预防措施：在机壳内侧和喷管旁设足够大的补气孔，补入大气，消预防措施：在机壳内侧和喷管旁设足够大的补气孔，补入大气，消除真空。除真空。（2 2）水斗缺口排流）水斗缺口排流水斗数少、缺口形状不良可造成缺口排流，引起振动。水斗数少、缺口形状不良可造成缺口排流，引起振动。预防措施：选取合理的水斗数、改进缺口形状或减小射流直径。预防措施：选取合

19、理的水斗数、改进缺口形状或减小射流直径。3.9 3.9 其其 它它 p 机组转动部件与固定部件相碰。机组转动部件与固定部件相碰。p 重要紧固零部件松动。重要紧固零部件松动。p 主轴刚度不足等。主轴刚度不足等。 l4 4 水力原因造成的水力原因造成的机组运行不稳定机组运行不稳定4 4 水力原因造成的机组运行不稳定水力原因造成的机组运行不稳定水轮机中存在着各种水力不稳定现象：叶道涡、卡门水轮机中存在着各种水力不稳定现象：叶道涡、卡门涡、尾水管涡带、小开度压力脉动、高部分负荷压力涡、尾水管涡带、小开度压力脉动、高部分负荷压力脉动、导叶与叶片之间的干涉、水力自激振动，以及脉动、导叶与叶片之间的干涉、水

20、力自激振动，以及过渡过程中的各种特殊的不稳定现象等。过渡过程中的各种特殊的不稳定现象等。4.1 4.1 叶道涡引起的水力不稳定叶道涡引起的水力不稳定 发生机理：叶道涡起源于混流式水轮机远离最优发生机理：叶道涡起源于混流式水轮机远离最优工况时叶片进口和上冠处的脱流。工况时叶片进口和上冠处的脱流。 危害：巴基斯坦塔贝拉危害：巴基斯坦塔贝拉 、巴西两个、巴西两个ALSTOMALSTOM提供机提供机组的电站、组的电站、GEGE为龚嘴改造的两台水轮机。为龚嘴改造的两台水轮机。 预防措施：预防措施：优化上冠和叶片头部型线。优化上冠和叶片头部型线。设计水头取较高值，以避开高水头叶道涡。设计水头取较高值，以避

21、开高水头叶道涡。顶盖上预留压缩空气补气孔，以备必要时补入压缩顶盖上预留压缩空气补气孔，以备必要时补入压缩空气。空气。避开在叶道涡发生区域运行。避开在叶道涡发生区域运行。4.2 4.2 卡门涡卡门涡 产生机理：流体绕过固体物体时，物体尾流两侧产生机理：流体绕过固体物体时，物体尾流两侧产生成对、交替排列、旋转方向相反的对称涡旋，产生成对、交替排列、旋转方向相反的对称涡旋，即卡门涡。水流绕过固定导叶、导叶和转轮叶片时即卡门涡。水流绕过固定导叶、导叶和转轮叶片时会产生卡门涡。会产生卡门涡。 危害：如涡的频率与绕流部件自然频率相近，则危害：如涡的频率与绕流部件自然频率相近，则发生共振，造成危害：发生共振

22、，造成危害： 使绕流部件因动力响应而产生高频动应力，短时间使绕流部件因动力响应而产生高频动应力，短时间内即发生疲劳破坏（大朝山）。内即发生疲劳破坏（大朝山）。 造成频率相近的邻近部件发生共振响应（丹江口）。造成频率相近的邻近部件发生共振响应（丹江口）。 产生很大噪声（小浪底、大朝山）。产生很大噪声（小浪底、大朝山）。 防治：防治： 削薄叶片或固定导叶出水边的厚度，提高涡的频率，削薄叶片或固定导叶出水边的厚度，提高涡的频率，避开共振。避开共振。预测卡门涡频率，叶片、固定导叶的自然频率，采取预测卡门涡频率，叶片、固定导叶的自然频率，采取错频措施。错频措施。脱流部件边界层厚度和脱流点位置很难准确计算

23、，叶脱流部件边界层厚度和脱流点位置很难准确计算，叶片出水边各点的相对速度也不相同，难以准确预测叶片出水边各点的相对速度也不相同，难以准确预测叶片卡门涡频率，绕流部件的水下自然频率的计算也存片卡门涡频率，绕流部件的水下自然频率的计算也存在误差。最好根据情况具体处理。在误差。最好根据情况具体处理。 小浪底和大朝山转轮叶片出水边修薄小浪底和大朝山转轮叶片出水边修薄方案比较方案比较左图为小浪底转轮叶片出水边修薄方案左图为小浪底转轮叶片出水边修薄方案右图为大朝山叶片出水边最终修薄方案右图为大朝山叶片出水边最终修薄方案4.3 4.3 尾水管典型涡带尾水管典型涡带 尾水管涡带：水轮机偏离最优工况运行就会有尾

24、水管涡带发生。尾水管涡带：水轮机偏离最优工况运行就会有尾水管涡带发生。 危害：危害： 伴随发生同频率的尾水管压力脉动。引起机组振动、噪声、出力摆动，伴随发生同频率的尾水管压力脉动。引起机组振动、噪声、出力摆动，甚至电站厂房的共振（岩滩）。甚至电站厂房的共振（岩滩）。运行实践表明，同样的尾水管运行实践表明，同样的尾水管H H/ /H H或或H H，运行在最优水头以上的稳，运行在最优水头以上的稳定性相对要差些。因此，高水头的稳定性问题更为人们所关注。定性相对要差些。因此，高水头的稳定性问题更为人们所关注。同一模型的水轮机，大机组的真机稳定性一般比中小机组差。这可能同一模型的水轮机，大机组的真机稳定

25、性一般比中小机组差。这可能是大机组的刚度相对较差，主要部件的固有频率相对较低，容易激发是大机组的刚度相对较差，主要部件的固有频率相对较低，容易激发振动的缘故。振动的缘故。 降低措施降低措施: :优化水力设计：采取负倾角翼型，叶片出口环量合理分布，优化上冠优化水力设计：采取负倾角翼型，叶片出口环量合理分布，优化上冠和泄水锥型线等。高水头混流式水轮机还可选用带副叶片的转轮。和泄水锥型线等。高水头混流式水轮机还可选用带副叶片的转轮。 采用轴中心自然补气，必要时也可在顶盖或其它部位进行强迫补气。采用轴中心自然补气，必要时也可在顶盖或其它部位进行强迫补气。国外曾研究过多种在尾水管设置阻尼，以减轻涡带的办

26、法。但实用效国外曾研究过多种在尾水管设置阻尼，以减轻涡带的办法。但实用效果都不甚理想，有时还可能有负作用。果都不甚理想，有时还可能有负作用。4.4 4.4 小开度压力脉动小开度压力脉动国内石泉、龚嘴、刘家峡、李家峡等电站，水轮机小开度下的尾水国内石泉、龚嘴、刘家峡、李家峡等电站，水轮机小开度下的尾水管压力脉动幅值超过，甚至远超过典型涡带区压力脉动的最大值，管压力脉动幅值超过，甚至远超过典型涡带区压力脉动的最大值，频率通常为转频的数倍。石泉、龚嘴等电站的转轮上腔和蜗壳中也频率通常为转频的数倍。石泉、龚嘴等电站的转轮上腔和蜗壳中也同步出现很大的压力脉动值。同步出现很大的压力脉动值。小开度区偏离最优

27、工况最远，流道中发生漩涡、脱流与空化等各种小开度区偏离最优工况最远，流道中发生漩涡、脱流与空化等各种水力不稳定现象必然更为剧烈和复杂。由于各种不稳定现象的出现，水力不稳定现象必然更为剧烈和复杂。由于各种不稳定现象的出现，不但可能产生较大的压力脉动幅值，脉动频谱的构成也更加繁杂。不但可能产生较大的压力脉动幅值，脉动频谱的构成也更加繁杂。这就可能在水轮机转轮和这就可能在水轮机转轮和/ /或其它部件上产生频率较高的动应力，促或其它部件上产生频率较高的动应力，促使部件疲劳而发生裂纹。大朝山真机试验证实，机组小开度运行时，使部件疲劳而发生裂纹。大朝山真机试验证实，机组小开度运行时，水轮机转轮上存在较大的

28、动应力。水轮机转轮上存在较大的动应力。从脉动的幅值看，小开度压力脉动基本上可以分成两种情况，一种从脉动的幅值看，小开度压力脉动基本上可以分成两种情况，一种是压力脉动幅值远大于尾水管涡带区的压力脉动最大值；另一种则是压力脉动幅值远大于尾水管涡带区的压力脉动最大值；另一种则比尾水管涡带区的压力脉动最大值要小，或者相当。对于第一种情比尾水管涡带区的压力脉动最大值要小，或者相当。对于第一种情况宜避开运行，对于第二种情况也以限制运行为好。况宜避开运行，对于第二种情况也以限制运行为好。空载也是小开度工况，但流量小，水流的扰动能量较低，其运行稳空载也是小开度工况，但流量小，水流的扰动能量较低，其运行稳定性往

29、往比小开度部分负荷要好。定性往往比小开度部分负荷要好。小开度下转轮内部的流态小开度下转轮内部的流态4.5 4.5 高部分负荷压力脉动高部分负荷压力脉动 高部分负荷压力脉动高部分负荷压力脉动三峡左岸水轮机模型试验中发现：当水轮机的开度从涡带区向最优工况逐三峡左岸水轮机模型试验中发现：当水轮机的开度从涡带区向最优工况逐渐增大时，尾水管涡带压力脉动开始明显减小，然后突然出现一个新的压渐增大时，尾水管涡带压力脉动开始明显减小，然后突然出现一个新的压力脉动峰值带。此时，整个水轮机流道中都可以观察到这种脉动，尤以转力脉动峰值带。此时，整个水轮机流道中都可以观察到这种脉动，尤以转轮和导叶之间的无叶区最显著，

30、其幅值和频率都比尾水管壁上的测量值高。轮和导叶之间的无叶区最显著，其幅值和频率都比尾水管壁上的测量值高。大致发生在各不同水头对应最优流量的大致发生在各不同水头对应最优流量的0.750.750.800.80到到0.850.850.900.90倍的狭窄倍的狭窄范围内，频率通常为范围内，频率通常为1 15 5倍的转频，且比较稳定，很少随工况和尾水位的倍的转频，且比较稳定，很少随工况和尾水位的改变而急剧变化。随着尾水位的大幅度提高，它又可能突然消失。改变而急剧变化。随着尾水位的大幅度提高，它又可能突然消失。目前发生机理尚不完全清楚。从国内外的实例看，模型有，真机并不一定目前发生机理尚不完全清楚。从国内

31、外的实例看，模型有，真机并不一定有（如三峡左岸的两种水轮机）；模型没有，真机却也偶有发生。有一种有（如三峡左岸的两种水轮机）；模型没有，真机却也偶有发生。有一种看法是：看法是： 尾水管涡带空腔与水体的共振可能是产生这种特殊压力脉动的原尾水管涡带空腔与水体的共振可能是产生这种特殊压力脉动的原因。因。 消除措施：消除措施：优化水力设计，在电站给定尾水位范围内，消除模型上可能出现的高部分优化水力设计，在电站给定尾水位范围内，消除模型上可能出现的高部分负荷压力脉动。负荷压力脉动。如若真机发生，可补入压缩空气或避振运行。如若真机发生，可补入压缩空气或避振运行。4.6 4.6 导叶和叶片之间的干涉导叶和叶

32、片之间的干涉通过导叶叶栅的水流受到排挤，在圆周上形成周期性分布的不通过导叶叶栅的水流受到排挤，在圆周上形成周期性分布的不均匀流场，引发叶片数与转速乘积频率的压力脉动。江垭水轮均匀流场，引发叶片数与转速乘积频率的压力脉动。江垭水轮机的导叶区就曾测出过这类压力脉动，由于幅值小没有引起注机的导叶区就曾测出过这类压力脉动，由于幅值小没有引起注意。萨彦舒申斯克水轮机也测到过这种频率的压力脉动，曾怀意。萨彦舒申斯克水轮机也测到过这种频率的压力脉动，曾怀疑是造成水轮机转轮裂纹的原因之一。疑是造成水轮机转轮裂纹的原因之一。有研究指出，岩滩水电站转轮进口的脱流使二阶叶片通过频率有研究指出，岩滩水电站转轮进口的脱

33、流使二阶叶片通过频率的振动能量得以放大，造成发电机层楼板产生强振。改造后的的振动能量得以放大，造成发电机层楼板产生强振。改造后的新转轮变更了叶片数，修改叶片头部形状，消除了楼板强振。新转轮变更了叶片数，修改叶片头部形状，消除了楼板强振。四川硗碛和阴平带副叶片的高水头混流式转轮。硗碛的短叶片、四川硗碛和阴平带副叶片的高水头混流式转轮。硗碛的短叶片、阴平的长叶片在投运不久即产生严重裂纹。厂家分析，导叶和阴平的长叶片在投运不久即产生严重裂纹。厂家分析，导叶和叶片间的干涉使叶片产生较大的动应力是裂纹发生的主要原因。叶片间的干涉使叶片产生较大的动应力是裂纹发生的主要原因。水泵水轮机在水泵启动过程中，转轮

34、和导叶之间的水泵水轮机在水泵启动过程中，转轮和导叶之间的压力脉动尽管历时短暂，但幅值往往很大，而且频压力脉动尽管历时短暂，但幅值往往很大，而且频繁出现，引起较大的导叶水力矩和机组径向力的脉繁出现，引起较大的导叶水力矩和机组径向力的脉动，需要采取特殊的控制策略加以限制。动，需要采取特殊的控制策略加以限制。 灯泡贯流式水轮机导叶和转轮叶片之间的压力脉动灯泡贯流式水轮机导叶和转轮叶片之间的压力脉动往往会造成转轮室振动。转轮室上游侧固定在管型往往会造成转轮室振动。转轮室上游侧固定在管型座上，下游侧通过伸缩节与尾水管相连，是一种典座上，下游侧通过伸缩节与尾水管相连，是一种典型的悬臂结构，自振频率很低，容

35、易为这种压力脉型的悬臂结构，自振频率很低，容易为这种压力脉动激发而发生振动。对大型贯流式水轮机宜设置转动激发而发生振动。对大型贯流式水轮机宜设置转轮室下游侧支撑，提高其自然频率。轮室下游侧支撑，提高其自然频率。阴平水轮机的转轮叶片裂纹阴平水轮机的转轮叶片裂纹阴平转轮非定态阴平转轮非定态CFDCFD模拟计算模型模拟计算模型阴平转轮长叶片切割示意图阴平转轮长叶片切割示意图4.7 4.7 水力自激振动水力自激振动当混流式转轮止漏环间隙不均匀达到一定程度时，不大的机械不当混流式转轮止漏环间隙不均匀达到一定程度时，不大的机械不平衡力与水压脉动力共同作用，会引起水力自激振动。由于其能平衡力与水压脉动力共同

36、作用，会引起水力自激振动。由于其能量来自转轮本身，故一经开始就持续不断、愈演愈烈。例如：绿量来自转轮本身，故一经开始就持续不断、愈演愈烈。例如：绿水河、丰满、渔子溪。防止措施：水河、丰满、渔子溪。防止措施： 均衡利害，适当加大止漏环均衡利害，适当加大止漏环间隙；提高制造、安装质量。间隙；提高制造、安装质量。 如转轮采用减压板结构。当减压板与转轮的间隙过小而又不均匀如转轮采用减压板结构。当减压板与转轮的间隙过小而又不均匀时，通过间隙沿圆周分布的补水量会明显不同，使转轮上腔水压时，通过间隙沿圆周分布的补水量会明显不同，使转轮上腔水压力不对称，引起水力自激振动。力不对称，引起水力自激振动。若轴承设计

37、不良，造成局部干摩擦，引起油膜振荡；主轴密封和若轴承设计不良，造成局部干摩擦，引起油膜振荡；主轴密封和/ /或轴承盖密封的结构不良，四周紧量调整不当，引起轴颈四周或轴承盖密封的结构不良，四周紧量调整不当，引起轴颈四周受热不均而弯曲；机组轴线曲折等，都可能造成机组弓状回旋型受热不均而弯曲；机组轴线曲折等，都可能造成机组弓状回旋型的自激振动。这些自激振动虽来自机械原因，但常由水力原因激的自激振动。这些自激振动虽来自机械原因，但常由水力原因激发。发。 江苏宜兴抽水蓄能电站江苏宜兴抽水蓄能电站1#1#机的一次水泵启动、两机的一次水泵启动、两次水泵停机，次水泵停机，3#3#机过速试验后停机过程中均发生机

38、过速试验后停机过程中均发生了导水机构异常振动，造成部分部件损坏。经试了导水机构异常振动，造成部分部件损坏。经试验分析，振动由导叶的双稳态不稳定流激发，也验分析，振动由导叶的双稳态不稳定流激发，也是一种水力自激振动。临时解决措施：改变导叶是一种水力自激振动。临时解决措施：改变导叶动作规律；永久性解决方法：改变导叶型线，消动作规律；永久性解决方法：改变导叶型线，消除双稳态不稳定流；加强导水机构刚度。除双稳态不稳定流；加强导水机构刚度。4.8 4.8 过渡过程中的不稳定现象过渡过程中的不稳定现象机组在启动、停机、负荷突然变化和突甩负荷过机组在启动、停机、负荷突然变化和突甩负荷过程中，流道中的水流状态

39、必然更加紊乱、复杂，程中，流道中的水流状态必然更加紊乱、复杂，不但会引发水力不稳定现象，还可能在转轮等部不但会引发水力不稳定现象，还可能在转轮等部件上产生多种高频动应力。文献报道，俄罗斯萨件上产生多种高频动应力。文献报道，俄罗斯萨彦舒申斯克机组启动过程中，转轮上的实测动应彦舒申斯克机组启动过程中，转轮上的实测动应力达力达50MPa, 50MPa, 停机中动应力数值也不小。水泵水停机中动应力数值也不小。水泵水轮机的轮机的“S S”型特性常造成发电工况并网困难型特性常造成发电工况并网困难, ,驼驼峰特性可能影响高扬程下的水泵启动过程，不良峰特性可能影响高扬程下的水泵启动过程，不良的导叶翼型会引发导

40、水机构的异常振动。的导叶翼型会引发导水机构的异常振动。 4.8.14.8.1启动过程中的不稳定现象启动过程中的不稳定现象小浪底水头范围为小浪底水头范围为6868141m141m。为适应如此大的水头变幅，转轮。为适应如此大的水头变幅，转轮叶片采用了特别厚大的头部型线。首批机组试运行启动时，转叶片采用了特别厚大的头部型线。首批机组试运行启动时，转轮上的水力弹性脉动与轴系一阶扭振频率耦合发生共振，引起轮上的水力弹性脉动与轴系一阶扭振频率耦合发生共振，引起轴系扭转振动，使叶片产生巨大的高频动应力。仅经数次启动，轴系扭转振动，使叶片产生巨大的高频动应力。仅经数次启动，叶片出水边与上冠相交处即产生严重裂纹

41、。采取延长导叶开启叶片出水边与上冠相交处即产生严重裂纹。采取延长导叶开启时间、向转轮区补入压缩空气等措施得以解决。时间、向转轮区补入压缩空气等措施得以解决。宜兴宜兴1#1#水泵水轮机水泵工况首次启动时，在导叶极小开度下，水泵水轮机水泵工况首次启动时，在导叶极小开度下，发生强烈振动造成导水机构损坏。采取加固导水机构、改变导发生强烈振动造成导水机构损坏。采取加固导水机构、改变导叶开启规律等措施后，才使第一次启动成功。经认真研究，最叶开启规律等措施后，才使第一次启动成功。经认真研究，最终设计了不同型线的新导叶，才彻底解决了问题。终设计了不同型线的新导叶，才彻底解决了问题。小浪底水轮机启动过程中叶片动

42、应力测量结果小浪底水轮机启动过程中叶片动应力测量结果小浪底水轮机启动过程中的主轴应变小浪底水轮机启动过程中的主轴应变宜兴水泵水轮机导水机构的损坏情况宜兴水泵水轮机导水机构的损坏情况4.8.2 4.8.2 停机过程中的不稳定现象停机过程中的不稳定现象小浪底电站多泥沙，为延长叶片使用寿命，叶片出水边原设计小浪底电站多泥沙，为延长叶片使用寿命，叶片出水边原设计厚度为厚度为37mm37mm。机组停机过程中，当转速下降到额定转速的。机组停机过程中，当转速下降到额定转速的60%60%20%20%区间时，叶片搅动水流形成的卡门涡与自身某阶固有频率耦区间时，叶片搅动水流形成的卡门涡与自身某阶固有频率耦合而发生

43、振动，使叶片产生高频动应力，且大轴每转一圈，水合而发生振动，使叶片产生高频动应力，且大轴每转一圈，水轮机就发出一声刺耳的尖叫。叶片出水边削薄到轮机就发出一声刺耳的尖叫。叶片出水边削薄到7mm7mm后，噪声消后，噪声消失。失。三峡左岸三峡左岸5#5#、6#6#机过速试验紧急停机过程中，当导叶关闭到约机过速试验紧急停机过程中，当导叶关闭到约4%4%开度时，机组出现强烈振动，引起开度时，机组出现强烈振动，引起8 8根拉断销破断事故。采取：根拉断销破断事故。采取：将接力器第三段关闭起始点从将接力器第三段关闭起始点从6.4%6.4%开度提高到开度提高到8%8%，以降低导，以降低导叶关到叶关到4%4%左右

44、开度时的机组转速；延长接力器第三段关闭时左右开度时的机组转速；延长接力器第三段关闭时间；消除控制环跳动现象等措施后，设备运行正常。间；消除控制环跳动现象等措施后，设备运行正常。三峡右岸三峡右岸26#26#机第一次过速试验时发生了类似左岸机第一次过速试验时发生了类似左岸5#5#、6#6#机的情况。采取机的情况。采取(2)(2)中的措施和消除了振动。中的措施和消除了振动。宜兴宜兴1#1#水泵水轮机两次水泵停机，水泵水轮机两次水泵停机，3#3#机水轮机工况机水轮机工况过速试验后停机过程中，均发生过导水机构的异常过速试验后停机过程中，均发生过导水机构的异常振动，并造成部分部件损坏。其中振动，并造成部分

45、部件损坏。其中3#3#机的事故与上机的事故与上述三峡机组所发生的现象如出一辙。述三峡机组所发生的现象如出一辙。4.8.34.8.3机组快速增加负荷过程中的不稳定现象机组快速增加负荷过程中的不稳定现象20032003年年1 1月月4 4日，天荒坪抽水蓄能电站日，天荒坪抽水蓄能电站2#2#机带机带200MW200MW负荷发电运行，当负荷快速增加到负荷发电运行，当负荷快速增加到300MW300MW后不久，发生机组抬机，且维持运行后不久，发生机组抬机，且维持运行约约10min10min后才自动落下，造成转轮和顶盖迷后才自动落下，造成转轮和顶盖迷宫环损坏、推力轴承盖板加强筋焊缝开裂、宫环损坏、推力轴承盖

46、板加强筋焊缝开裂、推力头表面出现划痕。本次事故的确切原因推力头表面出现划痕。本次事故的确切原因尚未查明，但机组快速增加负荷使转轮轴向尚未查明，但机组快速增加负荷使转轮轴向水推力发生较大变化，可能是诱发原因之一。水推力发生较大变化，可能是诱发原因之一。4.8.4 4.8.4 机组甩负荷过程中的不稳定现象机组甩负荷过程中的不稳定现象众所周知，甩负荷过程中由于水力不稳定（也包括电气因素）众所周知，甩负荷过程中由于水力不稳定（也包括电气因素）的原因，使机组各部的振动、摆度急剧增大，径向力、轴向力的原因，使机组各部的振动、摆度急剧增大，径向力、轴向力也同步发生大幅度变化。人们大多关心甩负荷过程中输水系统

47、也同步发生大幅度变化。人们大多关心甩负荷过程中输水系统的压力变化和机组的转速变化，对更为广泛的下述问题关注较的压力变化和机组的转速变化，对更为广泛的下述问题关注较少。如：水力不稳定在水轮机转轮等部件上引起的动力响应和少。如：水力不稳定在水轮机转轮等部件上引起的动力响应和动应力；一管多机输水系统中，当一台机甩负荷后引起的管道动应力；一管多机输水系统中，当一台机甩负荷后引起的管道压力上升，造成其它机组连续甩负荷情况下的过渡过程计算和压力上升，造成其它机组连续甩负荷情况下的过渡过程计算和尾水管进口真空度的控制；水泵水轮机甩负荷过程中如何考虑尾水管进口真空度的控制；水泵水轮机甩负荷过程中如何考虑输水系

48、统压力和机组转速脉动值的影响；灯泡贯流式水轮机甩输水系统压力和机组转速脉动值的影响；灯泡贯流式水轮机甩负荷造成的上游涌浪和下游水位波动；导叶和进水阀的联动调负荷造成的上游涌浪和下游水位波动；导叶和进水阀的联动调节，喷针、导叶和桨叶关闭规律的优化等。只有重视并深入研节，喷针、导叶和桨叶关闭规律的优化等。只有重视并深入研究这些问题，才能确保大型水电机组在过渡过程中的安全。究这些问题，才能确保大型水电机组在过渡过程中的安全。l5 5 确保水电机组确保水电机组安全稳定运行之策安全稳定运行之策 5 5 确保水电机组安全稳定运行之策确保水电机组安全稳定运行之策 鉴于水电机组不稳定运行原因的多样性和复杂性，

49、鉴于水电机组不稳定运行原因的多样性和复杂性，为确保机组运行的安全稳定，必须在电站工程设计、为确保机组运行的安全稳定，必须在电站工程设计、机组研发设计、设备制造、安装运行维护各个环节机组研发设计、设备制造、安装运行维护各个环节采取综合性措施。采取综合性措施。5.1 5.1 电站工程设计电站工程设计 5.1.1 5.1.1 机组选型机组选型随着运行水头的增加，大中型水电站依次选择灯泡贯流式、随着运行水头的增加，大中型水电站依次选择灯泡贯流式、转桨式、混流式、水斗式水电机组。就水力稳定性而言，转转桨式、混流式、水斗式水电机组。就水力稳定性而言，转桨式和水斗式最好，灯泡贯流式和高水头混流式次之，中低桨

50、式和水斗式最好，灯泡贯流式和高水头混流式次之，中低水头混流式较差。灯泡贯流式水电机组由于转动惯量小、使水头混流式较差。灯泡贯流式水电机组由于转动惯量小、使用水头低，不宜投入用水头低，不宜投入AGCAGC运行。抽水蓄能机组有很好的负荷适运行。抽水蓄能机组有很好的负荷适应性，应大力发展。应性，应大力发展。5.1.2 5.1.2 单机容量单机容量机组单机容量增加、尺寸增大，部件相对刚度降低，对安全机组单机容量增加、尺寸增大，部件相对刚度降低，对安全稳定运行不利。建议选择单机容量稳定运行不利。建议选择单机容量800MW800MW以上、转轮直径超过以上、转轮直径超过10m10m的混流式水电机组时，应特别

51、慎重。的混流式水电机组时，应特别慎重。 5.1.3 5.1.3 电站水头变幅电站水头变幅水电站的运行水头范围由工程综合利用的要求确定。大型水电站通常水电站的运行水头范围由工程综合利用的要求确定。大型水电站通常由于防洪排沙的需要，汛期大多要降低库水位运行，水头变幅都比较由于防洪排沙的需要，汛期大多要降低库水位运行，水头变幅都比较大。通过对设计水头大。通过对设计水头H0H0的选择，可调整机组的安全稳定运行区域。一的选择，可调整机组的安全稳定运行区域。一般要求般要求（Hmax-HminHmax-Hmin）/H0/H0不超过不超过30-40%30-40%，Hmax/H0Hmax/H0不大于不大于1.2

52、51.25，H/min/H0H/min/H0不小于不小于0.65.0.65.此外，对混流式水电机组，当水头变幅较大时，此外，对混流式水电机组，当水头变幅较大时，应允许供应商根据其研发的转轮特性，自主选择应允许供应商根据其研发的转轮特性，自主选择H0H0，以保证高水头区，以保证高水头区的稳定运行。的稳定运行。5.1.4 5.1.4 水轮机额定水头水轮机额定水头适当提高额定水头能扩大水轮机高水头下的稳定运行范围，增加机组适当提高额定水头能扩大水轮机高水头下的稳定运行范围，增加机组运行的灵活性，获得动态效益。运行的灵活性，获得动态效益。 5.1.5 5.1.5 比速系数比速系数比速系数提高，机组尺寸

53、减小，可以降低工程造价，提高经济比速系数提高，机组尺寸减小，可以降低工程造价，提高经济效益。但过高的比速系数不但会使水轮机的最高效率和平均效效益。但过高的比速系数不但会使水轮机的最高效率和平均效率下降，而且可能使不稳定运行范围扩大。率下降，而且可能使不稳定运行范围扩大。5.1.6 5.1.6 吸出高度吸出高度在工程设计阶段，电站吸出高度可按照参考的初生空化系数，在工程设计阶段，电站吸出高度可按照参考的初生空化系数，保证水轮机无空化运行的条件选定，对多泥沙电站应留有较大保证水轮机无空化运行的条件选定，对多泥沙电站应留有较大裕度，但洪水期过大的吸出高度会增加混流式水轮机自然补气裕度，但洪水期过大的

54、吸出高度会增加混流式水轮机自然补气的困难，不利于机组稳定运行。至于吸出高度对水轮机涡带压的困难，不利于机组稳定运行。至于吸出高度对水轮机涡带压力脉动和高部分负荷压力脉动的影响，可留给潜在的水轮机投力脉动和高部分负荷压力脉动的影响，可留给潜在的水轮机投标商考虑。标商考虑。5.1.7 5.1.7 机组段控制尺寸机组段控制尺寸机组段的控制尺寸可适当大一些，给投标商和供货商机组段的控制尺寸可适当大一些，给投标商和供货商以较大的发挥空间，为工程研发出水力稳定性更好的以较大的发挥空间，为工程研发出水力稳定性更好的模型转轮。模型转轮。5.1.8 5.1.8 主接线和并入系统设计主接线和并入系统设计对大型水电

55、机组的运行稳定性和灵活性的期望值不宜对大型水电机组的运行稳定性和灵活性的期望值不宜过高。电站主接线和并入系统的设计，宜优先考虑有过高。电站主接线和并入系统的设计，宜优先考虑有利于机组调度灵活的方案。利于机组调度灵活的方案。5.2 5.2 机组研发机组研发5.2.1 5.2.1 水轮发电机水轮发电机( (略略) )5.2.2 5.2.2 混流式水轮机混流式水轮机5.2.3 5.2.3 冲击式水轮机冲击式水轮机 5.2.4 5.2.4 贯流式水电机组贯流式水电机组 5.2.5 5.2.5 抽水蓄能机组抽水蓄能机组 5.2.2 5.2.2 混流式水轮机混流式水轮机（1 1） 水力研发：水力研发：选择

56、适当宽敞的蜗壳尺寸、较高的尾水管高度；选择适当宽敞的蜗壳尺寸、较高的尾水管高度；优化水轮机流道和转轮叶片头部型线，改善叶道涡和空化性能；优化水轮机流道和转轮叶片头部型线，改善叶道涡和空化性能；对水头变幅大的高水头水轮机可采用长短叶片转轮；对水头变幅大的高水头水轮机可采用长短叶片转轮；对一定的比转速，优化单位转速和单位流量的匹配，加大额定流量与对一定的比转速，优化单位转速和单位流量的匹配，加大额定流量与最优流量的比值，扩大稳定运行范围；最优流量的比值，扩大稳定运行范围；若水轮机最大水头与额定水头之比较大，宜选用负倾角转轮叶片、优若水轮机最大水头与额定水头之比较大，宜选用负倾角转轮叶片、优化叶片出

57、口环量分布，以及泄水锥的长度和型线；化叶片出口环量分布，以及泄水锥的长度和型线；利用现有的利用现有的CFDCFD技术，使水轮机在不同工况下的流速分布尽可能均匀；技术，使水轮机在不同工况下的流速分布尽可能均匀；加强水轮机不稳定流分析技术的研究，实现对水轮机非设计工况下的加强水轮机不稳定流分析技术的研究，实现对水轮机非设计工况下的流态和压力脉动的精确预测；流态和压力脉动的精确预测；与时俱进，不断改善水轮机的模型试验和水流流态观测（与时俱进，不断改善水轮机的模型试验和水流流态观测（PIVPIV）技术。）技术。根据用户要求进行全面的补气试验，并将最佳的补气方式推荐给用户。根据用户要求进行全面的补气试验

58、，并将最佳的补气方式推荐给用户。使用最先进的模型流态成像设备，为用户提供各种工况下清晰、完整使用最先进的模型流态成像设备，为用户提供各种工况下清晰、完整的模型水轮机流态录像资料。的模型水轮机流态录像资料。（2 2） 初步设计：初步设计：合理选择水轮机的设计水头；合理选择水轮机的设计水头；优化过渡过程计算，在满足输水系统压力上升和机组转速变化的优化过渡过程计算，在满足输水系统压力上升和机组转速变化的前提下，提供多种导叶运动规律，供安装调试时兼顾过渡过程中前提下，提供多种导叶运动规律，供安装调试时兼顾过渡过程中的稳定性选定；的稳定性选定；计算各种水力不稳定现象的脉动频率，为主要结构部件的错频避计算

59、各种水力不稳定现象的脉动频率，为主要结构部件的错频避振提供参考依据。振提供参考依据。（3 3） 结构设计结构设计座环、顶盖、底环等重要分瓣部件的组合要牢靠，确保整体刚度；座环、顶盖、底环等重要分瓣部件的组合要牢靠，确保整体刚度；重视顶盖、底环与座环，水导轴承体与顶盖之间的联接设计，螺重视顶盖、底环与座环，水导轴承体与顶盖之间的联接设计，螺栓布置要密、尺寸足够大，并采用抗疲劳性能较好的细牙螺纹。栓布置要密、尺寸足够大，并采用抗疲劳性能较好的细牙螺纹。连接销钉要有足够的抗剪能力；连接销钉要有足够的抗剪能力；合理选定止漏环间隙，防止间隙不均引发的自激振动；合理选定止漏环间隙，防止间隙不均引发的自激振

60、动；固定导叶、导叶、叶片的出水边适当薄一些，避免卡门涡引起的共振；固定导叶、导叶、叶片的出水边适当薄一些，避免卡门涡引起的共振；计算主要过水部件的水下固有频率，避免水力激振引起共振；计算主要过水部件的水下固有频率，避免水力激振引起共振；转轮应使用转轮应使用Cr13Ni5Cr13Ni5低碳马氏体材料，对高水头电站还可采用综合性能低碳马氏体材料，对高水头电站还可采用综合性能更好的更好的16-516-5不锈钢。铸件毛坯应精炼，并严控不锈钢。铸件毛坯应精炼，并严控C C、S S、P P等元素的含量和等元素的含量和铸造质量。转轮最大静应力宜控制在铸造质量。转轮最大静应力宜控制在100MPa100MPa以