混流式水轮机；稳定性；装机容量；水电站
摘 要:当前电力系统希望水电站能以较高的保证率发足装机容量，也就是要求较低的额定水头；但从混流式水轮机稳定的要求出发，希望额定水头、设计水头都不能低于Hmax／1.1，怎样才能既满足电力系统的要求又能使水轮机稳定运行呢。建议采取提高额定水头，增加机组台数或加大单机容量的方式来协调解决。
混流式水轮机运行存在的不稳定现象是其本身的固有特性，早期由于水轮机的容量较小，转轮直径相对较小，不稳定现象尚不突出，一般采取避开不稳定区运行来解决。近10多年来，随着岩滩、五强溪、小浪底等大容量、大直径水轮机，以及世界上已在运行的水头变幅大的大型混流式水电机组的相继投产，都程度不同的存在水力振动大和转轮叶片出现裂纹问题，只能避开振动区运行或停机检修，给电站造成巨大的经济损失。
混流式水轮机运行不稳定性的程度与其运行水头偏离设计水头(效率最高的水头)的幅度有关，幅度越大，振动也越大。额定水头(发足额定出力的最低水头)既关系着电站的装机容量又关系着电站在电力系统中应承担的预想出力(在一定水头下)，在确定的装机容量下(即一定的额定出力下)，额定水头高了，预想出力会减小(受阻容量增大)，额定水头低了，预想出力会增大(受阻容量减小)。从机组运行稳定性出发，额定水头应适当提高，靠近设计水头，预想出力必然减少；相反从保证电站的预想出力出发，额定水头要适当降低，增大预想出力，从而出现了稳定性与预想出力之间的矛盾，核心是解决好额定水头的选定及其随之引发的问题。
1 额定水头选择对运行稳定性的影响
不少水电站，由于各种原因，额定水头定得较低，如为了在洪水期泄洪，降低水位运行时多发电，或为了减少受阻容量，要求在尽可能多的时间里发足额定出力等。
由于混流式水轮机固有因水头、出力的变化对其效率、空蚀、稳定性等会产生一定影响的特性，特别是随着一些大型水轮机的投运，水轮机的稳定性问题日益暴露出来，在水轮机能量、空化、稳定三大性能中，运行稳定性占有更为重要的地位，因为不能稳定运行的机组，再高的能量指标也是无法体现的。由于稳定性差，水轮机往往在远未发生空蚀损坏之前就会因压力脉动等不稳定因素导致叶片开裂，止漏环脱落，尾水管里衬漏水，轴承支持件松动等现象，严重时甚至无法并入电网运行，的确有“稳定是压倒一切的”感觉，因此，当今许多大型混流式水轮机的选择都把稳定性放在首位。
根据大多数混流式水轮机运行情况统计，其运行不稳定现象主要发生在大约1.1倍设计水头H0以上的水头和小于大约0.85倍最优流量Q0(效率最高的流量)的出力。根据混流式水轮机运行特性要求，其设计水头H0最好不低于Hmax／1.1，额定水头Hr最好不低于Hmax／1.155，这样高的设计水头必然影响电站在较低水头时的发电效益，而这样高的额定水头又直接增加了电站的受阻容量，影响系统的电力电量平衡。
对于要留出较大防洪库容的水电工程总是在低水头时泄洪，提高额定水头后低水头泄洪时的出力必然减少，从而使年电量减少，丢失了季节性电能，出现了一面泄洪，一面又发不出装机容量的现象，使稳定和效益形成了尖锐的矛盾。[b]
2 提高运行稳定性的措施[/b]
大型水轮发电机组常常需在电力系统中承担调频调峰任务，要求有较好的稳定性，但国内外许多大型水轮机都程度不同的存在稳定问题，虽然表现形式各不相同，但就水力因素而言，大致有以下一些共同的特点：
(1)水头变幅小的水电站机组运行较稳定。我国水电站的最大水头和最小水头之比除个别水电站较小(盐锅峡水电站为1.07，天生桥二级水电站为1.17)外，绝大多数的水电站均在1.4以上，有的高达1.85(三峡水电站)，甚至超过2(岩滩水电站为2.086，丹江口水电站为2.26，潘家口水电站为2.36)，因此对我国水电站水轮机参数的选择应格外重视稳定问题。
(2)水轮机在无涡区运行。实际运行反映，水轮机在最优工况点和无涡区运行，一般都是很稳定的，因此，水轮机的参数应按使重要的运行区和经常的运行区处于最优工况点和无涡区的要求来选择。
(3)稳定运行的水头范围。对大多数电站的统计和分析表明，当运行水头H在水轮机设计水头H0的下述范围内是比较稳定的：(0.6～0.65)H0≤H≤(1.1～1.15)H0，运行水头H偏离H0越小越稳定。过低的水头会引起叶片进口边正面脱流空化涡带，过高的水头会引起叶片进口边背面脱流空化涡带和叶道涡，后者更为严重，因此对于巨型水轮机的运行水头H最好不超过1.1 H0，即Hmax≤1.1 H0。
(4)合理的运行范围。根据国内外许多学者的研究分析以及模型试验和原型观察发现，在最优流量
为最优单位流量)的82%附近会出现高部分负荷水压脉动(即特殊水压脉动)最大值(水力设计得好也可能不明显)，73%附近会出现叶道涡，60%附近会出现尾水管涡带的最大值。当然各种压力脉动的强度、位置以及分布状况，不同的水轮机是不完全相同的。并和转轮的水力设计有关，以上只是一般的规律。值得注意的是：在大流量区出现叶片进口边正面脱流空化涡带和较强的尾水管涡带是在常规的水轮机出力限制线以外，因此我们应该把水轮机的主要运行区安排在
(Q′1r为水轮机额定单位流量)范围之内。
(5)水轮机额定水头大于或等于设计水头。为了使水轮机在最高水头运行时有尽可能大的稳定出力调整范围，最好使水轮机额定水头Hr≥H0，至少1.05 Hr≥H0。
(6)水轮机的水力稳定与吸出高度有关。吸出高度小(即安装高程低)运行较稳定，应通过模型试验获得合适的电站空化系数范围，以避开过大的压力脉动。
(7)带副叶片的转轮对水轮机稳定有利，x型叶片对稳定也有些作用，但D2／D1不宜大，一般宜小于1。
(8)轴心补气能降低涡带压力脉动，但补气量、补气位置、补气阀及补气系统要设
