探索轴流转桨式水轮机桨叶开度测量技术研究及应用
浅谈牛栏口水电站轴流式水轮机转桨改定桨运行
浅谈牛栏口水电站轴流式水轮机转桨改定桨运行摘要：牛栏口水电站实际投产以来，水头、流量、出力较为稳定，其转桨式水轮机受油器串油严重、油泵故障频繁、运行中产生大量的油雾，经常引起非计划停运。
为此,电站要求对水轮机转轮由转浆式改为定浆式，重庆水轮机厂经过技术论证、现场试验，通过少量改动实现了水轮机转桨改定桨运行，去掉受油器，使机组长期稳定运行。
关键词：水电站；水轮机；转桨；定桨1 前言牛栏口水电站位于重庆市石柱县境内龙河干流河段，坝址距石柱县城约16km。
水库正常蓄水位517.0m,死水位515.0m，为径流式水电站。
工程以发电为主，具有防洪、养殖、旅游等功能。
电站主要由大坝、引水系统和地面式发电厂房三大部分组成。
电站装机二台,总装机容量20MW。
多年平均发电量:6279×104kWh。
水轮机采用ZZ450-LH-225型轴流转桨式水轮机，立轴、混凝土蜗壳，Г形平顶断面，包角225度，弯肘型尾水管，与发电机直连，俯视顺时针旋转。
发电机型号为SF10-18/3900。
调速器油压装置型号HYZ-2.5-4.0.额定压力4.0MPa。
1.1 电站水轮机目前存在的问题（1）牛栏口电站转桨式水轮机运行时，桨叶开腔与关腔串油严重，检修维护量大，曾经引起非计划停运，对整机的安全运行产生很大的威胁。
（2）受油器操作油管摆度大，受油器密封经常损坏漏油和甩油;溅油盆自流排油不畅，导致油外溢到发电机定转子上，使设备既不清洁又影响安全运行，降低机组运行的可靠性。
（3）受油器两腔串油，油压装置油泵起动频繁，耗电量大。
（4）运行中在受油器的上支座内观察到大量的油雾产生，漫至整个发电机层，严重影响其它电气设备的安全运行。
（5）桨叶接力器活塞严重窜油。
1.2 转轮转桨改定桨的目的牛栏口电站两台转桨式水轮机受油器两腔串油，油压装置油泵起动频繁, 受油器和油泵电机故障率高,溢油时有发生，油雾严重，严重影响水轮发电机组正常运行,电站年发电量降低。
大型轴流转桨式水轮机桨叶操作机构有限元联合分析
使用有限单元法进行结构应力计算的基本思路 是：对结构进行单元离散后，选择适当的位移函数来 表达各离散单元节点的位移。
｛ｆ｝＝［Ｎ］｛δ｝ｅ， 式中：｛ｆ｝为单元内任一点的位移列阵；｛δ｝ｅ为单元 的节点 位 移 列 阵；［Ｎ］为 形 函 数 矩 阵，表 征 位 置 坐标。
接着利用几何方程得到单元内任一点应变｛ε｝
任尚洁，刘思靓 ＲＥＮＳｈａｎｇｊｉｅ，ＬＩＵＳｉｌｉａｎｇ
（浙江富春江水电设备有限公司，杭州 ３１１１２１） （ＺｈｅｊｉａｎｇＦｕｃｈｕｎｊｉａｎｇＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１１１２１，Ｃｈｉｎａ）
摘 要：桨叶操作机构是轴流转桨式水轮机转轮中的重要构件，用于传递活塞操作力，实现桨叶角度的调整。一 般的计算只单独对操作机构中某一部件进行分析，忽略了各部件间的变形协调，应力计算结果与实际值相比偏 大。采取联合分析的方法，利用有限元手段，对桨叶操作机构进行整体计算，能准确得到各部件的应力分布，更好 地指导结构设计，提高设计方案的经济性。 关键词：轴流转桨式水轮机；桨叶操作机构；枢轴；拐臂；应力；联合分析 中图分类号：ＴＫ７３０．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－１９５１（２０１９）０１－００１７－０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｂｌａｄｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔａｓｓｅｍｂｌｙｏｆＫａｐｌａｎｔｕｒｂｉｎｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｔｏｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｆｏｒｃｅ ｆｒｏｍｐｉｓｔｏｎａｎｄａｄｊｕｓｔｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｂｌａｄｅ．Ｉｎｇｅｎｅｒａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｓｉｎｇｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓａｎ ａｌｙｚｅｄｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ｗｈｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｓｉｇｎｏｒｅｄ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｓｔｒｅｓｓ ｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈｅｆａｃｔ．Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｃｏｎｊｏｉｎｔａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｂｌａｄｅｏｐ ｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｉｔｃａｎｂｅａｂｅｔｔｅｒｇｕｉｄｅｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｃｏｎｏｍｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｋａｐｌａｎｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｐｉｖｏｔ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｌｅｖｅｒ；ｓｔｒｅｓｓ；ｃｏｎｊｏｉｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
轴流转桨式水轮机桨叶开度测量技术研究及应用
Ｒesearch and Application of Blade Opening Measurement Technology for Kaplan Turbine LIN Jiayang
（ Fujian Shuikou Power Generation Group Co．，Ltd．，Fuzhou 350800，Fujian，China） Abstract： At present，the blade opening feedback device of Kaplan turbine in hydropower station in China adopts contact-type conversion structure． Because the contact-type conversion structure is unreliable，the unit frequently appears failure，which becomes a serious hidden danger for the safe and stable operation of Kaplan turbine． In order to solve this problem，a new noncontact blade opening measurement technology is proposed and successfully applied． This new technology can effectively improve the reliability and measurement accuracy of blade opening feedback device，and greatly reduce the operation and maintenance． The technology has good effect and good application value． Key Words： blade opening； measurement； non-contact； magnetostriction； application； Kaplan turbine
JP502转轮在轴流定桨式水轮机改造中的应用
效 率
并通过模型 的气泡观测试验 ， 确定改型部及方 案， 以不断完 善 和 优 化 ， 得 效率 高 、 化性 能 获 空 好、 高效率 范围宽的优秀转轮 。
３ 新 型转轮 的性 能
－
叶片扭角加大后 ， 不仅 内外侧 叶片安放角差 别大 ， 叶片进水 边安 放 角 内外侧 差 也 比较大 ， 分
２２ 叶片 最大厚 度 进 一步 向 叶片进 水边 迁移 ， ． 以改善其空化及 能量特 性
根据现代轴 流 式水 轮机 转轮 叶 片设 计 的新 观念 ， 叶片最 大厚度 向进水 边移 动 ， 使 出水边 可
高机组的效能和可靠 性 。本文介 绍 Ｊ Ｐ系列新 型
高效转 轮的特点 、 性能 和在新疆小型水 电站轴 流 定桨 式水 轮机转 轮技术 改造 中的应 用 以及 取得 的显著效果 。
・
２ ・ ２
新疆水利 ＸＮ／ ￣ ＷＡ Ｅ Ｒ Ｓ Ｕ Ｃ Ｓ ＩＪ Ｇ Ｍ Ｔ Ｒ Ｋ Ｏ Ｒ Ｅ
２ １ 第 ６期 ０ ０年
Ｊ ５ ２转 轮 在 轴 流 定 桨 式 水 轮 机 改 造 中 的 应 用 Ｐ０
贺 志 博
（ 疆 乌 鲁 瓦提 水 利 枢 纽 工 程 建 设 管 理 局 ， 田 新 和 ８８０ ４ ０ ０）
１ 问题 提 出
２１ 转轮 叶 片 头部较 大， ． 以适应 单位 转速及 来
流 角度 的 变 化
新疆上世 纪 ７ ～８ ０ Ｏ年代及 以前投入 的小型 水电站 ， 由于受 当时 条件所 限 ， 水轮 机转 轮多 其 数用 国外早 期资 料设计 ， 转轮 型谱 少 ， 备品种 设 单一， 原材料较差 ， 制造工艺粗糙且效率低 ， 以致
水轮机叶片测量研究
研究先进测量手段代替落后 的立体样板。
应用的 Ａ Ｔ Ｃ Ｄ软件 ， Ｕ Ｏ— Ａ 外接第三方的 Ｓｒ软件 ， ｕ ｆ
并在此基础上开发符合要求的计算软件。
１２ 数 据 采集 ．
ｌ 研 究 内容 及 方 法
１１ 原理 方 案 ．
水轮机叶片尺寸巨大 ， 表面是三维曲面 ， 精度要
所示。Ａ， Ｂ为两经纬仪 ， 为待求基线长（ Ａ Ｂ的 ｂ 即 ， 水平间距 ， Ｌ为基准尺长。首先， ， Ａ Ｂ两经 纬仪相互
摘 要 ：介绍 了水轮 机 叶片测 量 系统 ，该 系统 由数 据 采 集和 数 据 处理 两部 分 组成 。数 据 采 集部
分主要 由两台电子经纬仪、一 台笔记本计算机 ，及通讯 电缆组成，分别测量叶片正背面各点三
维坐标值。数据处理在普通 Ｐ 机上进行 ，在 广泛应用于 Ａ Ｔ Ｃ Ｕ Ｏ—Ｃ Ｄ外接 Ｓｒ软件基础上开发 Ａ ｕ ｆ
１２ １ 数据采集系统组成 ．． 整套系统有一台４６ ８ 笔记本计算机， 两台 Ｔ Ｐ Ｏ ＯＣ Ｍ
收稿 １ ：２０ 一ｏ ３期 ０６ ４—１ ８
求较高 ， 且要适应不同产品测试要求 ， 传统的办法是
根据图纸制造立体样板 ， 检查型线 ， 精度无法满足要 求， 检查结果无法科学指导生产加工 ， 水轮机制造业 发展要求叶片加工数字化， 精度越来越高 ， 要求检测
出具有 曲面计算功能的软件 ，并打印输 出各点误差值。
关键词 ：转轮 ；叶片；测量；计算
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｌｄ ｆｈ ｄ ａ ｌ ｕ ｂ ｎ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔ ｓ ａ ｃ ｎ ｂ ａ ｅ ｏ ｙ ｒ ｕ ｉ ｔ ｒ ｉ ｅｍ ａ ｕｒ ｍ ｎ ｃ
Ｔ Ａ０ ｕ ｎ ｈ ｉ Ｃｈ ａ — ａ
大型水轮机转轮(或者轴流、抽水蓄能机组叶片)的精密测量
在开展 大型 水 轮机转 轮 、 叶片 精密 测量工 作的 过程 中 ， 是 存在 着一 些具体
的测量 方法 与测量 技 术的 。 不 同的 测量方 法有 不同 的使用条 件 。 本 文将 主要介 绍 两种 测量 方法 。 第 一种 给大 家介绍 的就 是机 械臂法 。 机 械臂 法相对 来说 是精
１ ． １机 械臂 法
在后 期数据 处理 的过 程 中。 虽 然一 部分 数些 部分数 据的 计算是需 要人亲 力亲为 的 。 人工 的进行 相关数 据的计 算就 会
带来 一定 的误差 。 认 为 因素带 来 的误差 是不 可避 免 的 ， 但 是却 是可 以通 过 采取
够 严格 的遵 守操 作 的规程 。 从 而 更好 的开 展相 关 的测量 工作 。 １ ． ２ 激 光跟 踪仪法 激 光跟 踪仪 也是 常用 的大型 水轮 机转 轮 、 叶片精 密测量 方法 之一 。 激 光跟
自然因素 的干扰也 是不可 忽视 的因素之 一 。 自然 因素的干扰 主要表 现在 一
天气状 况 。 但 是无论 是偏 高还是 偏低 ， 对 大型水 轮机转 轮 、 叶片精 密测量 工作 的 开展都是 会有一 些 影响的 。 因此 ， 相 关的 工作人 员在开展 测 量工作 的过程 中 ， 一
定要选 择 一些 较好 的天 气 进行 。
２ ． ４ 测量 技术 不先 进
踪 仪测量 方法被 称 为是万 能 的测量 方法 。 它的主要 优 点是精 度高 、 测 量 的距 离 远。 可 以说激 光 跟踪法 是测 量量程 最 大的方 法之 一 。 它在 开展 测量 工作 的过程
些气象 因素 的干 扰 比如风 、 雪、 雨 等 天气状 况等 。 在 大 风的 天气 ， 水 轮机 的运 动 速度与正 常的 天气状 况相 比较来说 是 比较快的 。 如果 选在 大风 的天气进 行大 型
新技术在轴流转桨式水轮发电机组的应用
但 同时也存在 高效率运行 区域 窄和 经济运行 管理范围小等局 限性。轴流转 桨式水轮机在设 计的过 程 中对参 数的 选择
和设计 的方法有较 高的要求 ， 近年来 ， 由于加 工材料 的性能提 高和数 控加 工的科技 进 步， 新材 料、 新 工 艺及新 设计在 轴
流转 桨式水轮 发电机组 中能够得到 实际的应用。 同时整个水轮发 电机 组主辅设备 的新设计 也会对 发 电站 的运行稳 定
转 轮直径 和较高 的转 速 ， 从 而缩 小 了机 组尺 寸 ， 降低 了投 资。 当两者具有 相同 的直 径并使 用在 同一水 头时 ， 轴流 式水 轮机 能发 出更多 的功率 。轴 流转桨式 水轮 机 ， 由于桨 叶和导 叶随 着工况 的变 化形 成最 优 的协 联关 系 ， 提 高 了水 轮机 的平 均效 率， 扩 大了运行 范 围， 获得 了稳定 的运 行特 性 ， 是一 种值 得广 泛使用 的优 良机 型 ， 这 一特 点特别 适合 老水 电厂 的技 术 改造
发新 的设计方案 是必要 的， 也是 必须 的。按照 我 国的基本 现
麻石 水电厂于 １ ９ ７ ０年 ９月 动工兴 建 ， 电站 的设计 总库 容
状和基本 国情 ， 在 不断提高性能轴流转浆 式水轮机 ， 在新 技术
的开发 中， 需要开发 出一批 ３ —６叶片 ， 适合水 头 ６～４ ０ ｍ的轴
限制轴流式水轮机最大应用水 头的原 因是 空化和强 度两
方面的条件 。由于轴 流式 水轮机 的过 流能力 大 ， 单位 流量 和 单位转速都 比较 大 ， 转 轮 中水流 的相对 流速 比相 同直 径 的混
流式转轮 中的高 ， 所 以它具 有较 大 的空 化 系数。在相 同水 头
浅析轴流转桨式机组桨叶密封装置检修新工艺
浅析轴流转桨式机组桨叶密封装置检修新工艺摘要：水力发电机组通常通过调整水轮机活动导叶的开度，调整过水流量，进而调节发电机出力，但活动导叶在调整的过程中，机组工况发生变化，产生震动、汽蚀等现象，发电效率降低，机组的寿命也会因为震动、汽蚀受到影响。
轴流转桨式机组转轮的桨叶能与活动导叶的开度进行协联，导叶开度增大或者减小的同时桨叶的开度也会随之增大或者减小，从而在负荷调节过程中降低机组振动，提高发电效率。
转轮内全是透平油，保证了桨叶转动的操作机构能得到有效润滑。
因此，桨叶与转轮体相交的部位必须有一套密封装置，保证桨叶转动时，转轮内的透平油不会外泄。
关键字：轴流转桨密封装置λ盘根顶起环轴流转桨式水轮机叶片密封装置通常由密封压板（多为不锈钢制成）、密封盘根、顶起环、弹簧等部件构成。
顶起环由弹簧顶起，和外部的密封压板共同夹住中间的盘根，使之发生轻微变形，紧紧与桨叶根部的光滑配合面可靠接触，从而达到严密的密封效果。
目前我国产的轴流转桨式水轮机叶片密封盘根截面通常有X形、V形、λ形、或者由两种密封盘根共同组成。
盘根在内侧的顶起环和外侧的密封压板之间，在二者的挤压力下，盘根拥有自补偿效果。
当机组运行了一段时间后，密封盘根部分发生轻微磨损后，盘根会轻微变形，从而继续保持良好的密封效果。
λ形盘根是传统截面，经过多年使用证明，其具有结构简单，双密封面密封效果好，成本低等优点，因此得到广泛的应用。
笔者从事水轮机检修工作已有二十余年，对轴流转桨式水轮机结构比较熟悉，结合太平湾发电厂4#、2#机组A修的过程，简单阐述一下在检修中关于轴流转桨式机组叶片λ盘根检修的一些新工艺。
2008年我厂4#机组进行扩大性A级检修。
转轮吊出后放在检修间，按照检修程序，应该先分解密封的压板，压板解除后分解叶片。
4#机组转轮密封压板的时候，采用传统的工艺，用电钻在密封压板螺栓上部的铅封打孔，然后用扁铲将铅封慢慢剔除，过程繁琐，不容易剔净。
当在螺栓分解的时候，残余的铅末会阻挡螺栓的退出。
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探索轴流转桨式水轮机桨叶开度测量技
术研究及应用
摘要：现在依据我国水电站的情况来看，由于接触转换结构的稳定性与安全
性得不到保障，因此引发安全问题十分频繁，要想解决这个问题，使用非接触式
的新技术是关键。
本篇文章首先对接触式进行改进研究，再对非接触式在安装与
应用上进行分析，以期提供相应的参考。
关键词：轴流转浆式水轮机；桨叶开度；测量
一个地区的电站一共装置了7台发电机组，并且都是当前世界上单机容量最
大的轴流转浆式水轮发电机组从上个世纪九十年代第一台机组投产发电。
桨叶开
度测量是机组对其内部速度进行调整以达到稳定运行的关键前提。
通过研究表明，不论是国内还是国外，在水电站轴流转浆式水轮机桨叶反馈装置中，使用到的构
造通常都是接触式结构，这种结构复杂程度高，因为机组在操作的时候包含了旋
转与轴向的移动。
旋转的时候会发生机械之间的摩擦造成磨损，如果定位产生失误、偏差过大，滑轴与滑套会产生断裂现象，造成安全隐患。
1 接触式桨叶开度反馈装置分析
（1）在结构上，上操作油管是经过不规定的机组同步旋转，达到能够及时
将机组桨叶的具体位置与实施状态作出反应的目的，经过过渡轴与轴承装配，可
以达到旋转运动向轴向移动的变化，进而把桨叶角度位置机械信号转变成电器信
号的传输，为机组等实际运行状态进行调整。
但因为反馈装置是在机组的最高位置，在转换的阶段存在机械与机械二者之间的摩擦磨损现象，降低稳定性，导致
设施设备存在安全隐患。
（2）在装置与检修上，需要依据规定对反馈轴水平度进行把控，保持在
0.05毫米每秒，上操作油管和机组内不发生移动的零部件中心产生的偏差要低于0.5在对操作油管装置与检查维修的时候，因为其规划在细长杆的范畴，包含三
个组合段分别是上中下，还包含四个分段式的连接处，但是它们的同心度想要达到同一个水平十分艰难，复杂性很高，因为油器总体的底座水平面被结构的构造以及加工工序过程产生一定的阻碍与限制，其水平要想保持在规定的标准范围之内困难性也大，同心度即使在检查维修的时候，或进行装置调控的阶段，只要经过一定时间的运行，在检查维修的结果都会存在误差。
（3）在维护上，一些经常产生摩擦磨损的位置，对其进行定期的润滑保养十分有必要，因为润滑不到位加大磨损程度，导致运行的阻碍变大，造成拉断，还会增大间隙。
2 非接触式桨叶开度测量反馈装置的安装与运行实验
非接触式桨叶反馈装置使用到的原理就是磁致伸缩位移传感器测量，将具备差异性的磁场进行相交，让两个产生应变脉冲信号，这种信号能够对位置进行十分准确地测量。
（1）安装与须注意事项
在进行安装的时候，需要把转轴与上操作油管进行联结，做好之间同心度的调控，把磁性环装置在转轴上，对装置好的进行检查，确认同心情况无异常，将反馈杆与位移传感器在装置的时候安装在最外围的上部平台，与水平保持同一高度，同时还需要与磁性环的同心度相同一，将圆周方向做到均匀，受到水电机组季节性的影响，机组长时间经常开关机，会增加一些零部件之间的磨损程度，减少设施设备的生命周期。
另外，行程的刻度板、行程刻度具备的指示线要依据在规划阶段规定进行装置，再依据接线图将电源线、信号线与能够调整速度的机器电气柜将端子输进去。
在装置与第一次的试用阶段，需要在进行接线的时候严格审核供电的电源有没有满足标准的要求，此外，电源在产品的整体功耗上要求小于实际输出功率，还要保证电缆的屏蔽网线要是无损坏不会出现短线的现象，在成功将使用到的设备的地端连接到。
传感器的屏蔽电缆线要尽量与功率偏高的电源与电缆线等产生距离，数字信号在选择输出方式上要选择合适的电流量。
（2）运行试验
桨叶开度的反馈装置是其内部的活动部件接力器杠盖，这种零部件包含的内
油管会因为桨叶的首要配开、关腔压力油的因素，进行一些活动，将这种循环进行，内油管的最上端会与球产生触碰还会将其向上托起。
这种桨叶开度进行设施
设备的安装测量，在水轮发电机组中属于首次测量，要提高对其的了解程度与掌
握程度，在没有将机组安装的时候，需要对传感器依据规定的要求进行调校工序，实验的阶段，需要使用一些增强信号的方式、对输入、输出的对应关系进行检查，能够检测到线性度优良、准确性高。
另外，在进行复杂性与精确性更高的实验的
过程当中，在部分获得的信息中都十分的优良，例如外加扰动、振摆动、高速进
行移动等。
其次，把总体的设备装置在水轮发电机浆液开度含有的反馈轴中，依
据标准规定对同心度、同平度所处的位置进行适当的校对，装置必须稳定，还需
要在正式的机组上做模拟行高的测试实验，以便降低安全隐患，经过一段时间的
使用，能够了解到安装上去的信号非常灵活、获得结果的精确性高、重复性好、
在使用过程中还能保持稳定性，这些优点对运行过程所需完全符合与满足。
结束语
桨叶开度测量这项技术在机组中是第一次使用，经过长时间的过程中，应用
在机组中的实验情况与获得的数据信息，桨叶开度与电气输出产生的信号，二者
息息相关，结果准确性高。
通过实践可以指导，新式桨叶反馈测量装置使用的技
术复杂性低、操作简便、生命周期长、效果显著。