论文：轴流转浆式水轮机重点

1、轴流转浆式水轮机产生抬机的原因及防止方法 四川省机械设备进出口有限责任公司姚瑜宁 闵建秋轴流转浆式水轮机，因其结构特点，容易产生抬机。我们在叙利亚承建的迪什林水电站所用轴流转浆式水轮机组自1999年11月投运以后，十年间发生了24次抬机。抬机发生时，机组转动部分上抬25-30毫米，造成水轮机工作密封跳出、接头撕裂、集电环碳刷和刷架损坏特别是抬机引起的撞击和伴随着抬机产出的反水锤现象给叶片造成了很大的损伤，给电站运行带来了诸多麻烦。因此，对于多数采用轴流转浆式水轮发电机组的水电站来说，解决抬机问题成了一道绕不过去的坎。而过去，人们对于抬机机理的认识存在一定的误区，对抬机问题的解决造成了一定的障碍

2、。在解决迪什林电站的抬机问题时，我们提出了一些新的思路，并取得了成功。本文拟对我们的作法进行一些探讨，从理论上进行总结，提出一套有效的解决方案。一， 机组的基本情况我们在叙利亚承建的迪什林水电站位于叙利亚境内幼发拉底河上，共6台机组，单机容量是105MW，总装机容量630MW，选用ZZ440a-LH-750型轴流转浆式水轮机，SF105-66/12800型发电机。电站除正常发电外，为平衡电网无功，机组还要承担调相运行任务。如前所述，10年间发生的24次抬机中，有详细记录的达20次。其中，水中调相，6次；甩负荷过程中，由空载运行转为停机(二段关闭阀未投入)，5次；事故停机(二段关闭阀未投入)，9

3、次。二， 轴流转浆式水轮发电机组的五种典型运行工况1， 轴流转浆式水轮发电机组的正常发电运行工况：发电机与电网连接，水轮机导叶开启时的正常发电运行工况。这时，由于上游水位比下游水位高得多，水头(上下水位差)作用在叶片上的合力方向向下，不可能产生抬机。转轮叶片受力如图1(a)所示。图1 水轮机叶片的受力（p为水流与叶片的作用力, R 为合力, v、w、u为水的速度,） 2, 机组正常停机运行工况：机组按照预先设定的导叶、浆叶关闭规律从前述的正常运行工况转为机组停止运转的正常停机过程。3， 轴流转浆式水轮发电机组的空载运行工况：机组从正常运行工况转为甩掉负荷至空载运行，即发电机与电网解列，水轮机导

4、叶从开启关至很小开度(例如全开的1113) 时的运行工况。此时，由于导叶开度很小，水头产生的动力很小，仅用于克服机组转动时的摩擦阻力，维持机组空转。从这种工况再转为导叶全关，使机组停机，若导叶的二段关闭阀未投入或浆叶关闭角度很小，即会引起抬机。4, 轴流转浆式水轮发电机组的事故停机工况：在机组迂到紧急情况的时候，发电机与电网突然解列，同时，水轮机导叶迅速、完全关闭的非正常停机运行工况。这时，由于导叶已完全关闭，上游水位形成的压力不能透过导叶作用到叶片上，而转轮由于惯性还在继续转动。而发电机已解列，因此，水轮机会变成一个惯性水泵，将转轮室里的水排向尾水。且由于发电机解列突然，甩掉了负荷，转子转速

5、会在短时间内迅速提升，加大了惯性泵的转速，加强了水泵的排水功能。另外，由于水轮机转变成了水泵，其叶片受情况如图1(b)所示，合力方向向上。如果泵升力大于机组转动部分的重量，即可产生抬机。另外，由于导叶关闭得很快，导叶关闭后，转轮室的水体由于惯性会继续流动，造成转轮室内水体与导叶脱离，在转轮室内形成真空，这是造成抬机的另一个原因。5, 轴流转浆式水轮发电机组的调相运行工况：发电机与电网连接，水轮机导叶完全关闭，同时，用压缩空气将转轮室的水压至尾水时的运行工况。此时，机组不再向电网输送有功，而是从电网吸收有功，同时向电网输送无功，以平衡电网的无功。此时，定子中会产生旋转磁场，在转子绕组通入励磁电流

6、后，会产生转子磁场。定子磁场在前，转子磁场在后，定子旋转磁场拖着转子与之等速旋转。这时，如果转轮室内的水体未能及时排出，发电机就会变成一个同步电动机，而水轮机则会变成一台同步水泵，将转轮室里的水排问尾水。如上所述，该水泵叶片上所受力的合力方向向上，且由于该水泵转速很高，其泵升力会很大，若泵升力大于水轮发电机组转动部分的重量，即可产生抬机。因此，转轮室内供气压水是进行调相运行的必不可少的条件。 从上面的分析可以看出，只要导叶未关闭，转轮就会作为水轮机运行。上下游水位差造成的水头压在叶片上，水头差产生的向下的力比可能产生的向上的力大得多，叶片所受力的合力始终向下。在这种情况下，由于叶片没有可能得到

7、向上的合力，因此，机组抬机是不可能产生的。我们研究抬机，着眼点就应当放在导叶完全关闭以后，直至转轮停止转动的这一段水轮机转变为水泵以后的短暂时间内，研究水轮机转变为水泵以后的受力情况及运行状况的变化。三，轴流转浆式水轮的抬机机理1， 转轮室出现真空是产生抬机的根本原因从图2可以看出，水轮机叶片以上abcd空间透过导叶与上游水位连系在一起，叶 图2 机组水流示意图：1 转轮室 2 主抽 3 导叶 4 叶片5 下游水位 6 顶盖 7上游水位 8尾水门 abcd空间 转轮室片以下的空间透过尾水门与尾水连系在一起。这些空间平时均充满了水体。由于上游水位比下游水位高得多，水头压在叶片上，水轮机转动部分不

8、可能上移，而是牢牢地坐在主轴下端的止推轴承上。另外，由于水体不可压缩，水体abcd像一个“液体垫”一样隔在顶盖和叶片之间，叶片及转动部分要上移是不可能的。只有当水体abcd被排出一部分，且上游水体不能进来补充，空间abcd出现真空时，叶片及转动部分才可能上移，形成抬机。 那么，出现什么状况，空间abcd才会出现真空呢？A) 导叶从正常运行转为迅速、完全关闭，如上述的第4种运行工况。由于导叶关闭速度很快，当其完全关闭后，把上游水体与转轮室隔断，而这时，转轮室内的水体会因惯性而继续流动，这样，转轮室的水体会脱离导叶，在转轮室上部形成真空。一旦真空形成，在转轮停止转动时，会在转轮叶片上、下端形成压差

9、，产生向上推动叶片的作用力；另一方面，由于真空存在，在尾水压力作用下，会产生反水锤，产生动态的向上作用力。图3 在液面的微元体A关于压差问题，说明如下。对于迪什林电站的机组，当浆叶关至最小角度-13o时，相鄰两叶片间尚有约100多毫米间隙。按照帕斯卡原理，叶片上下压力应当一致，为什么这里会有压差呢？因为，这里存在真空。设在液体表面取一厚度为的矩形微元体A(如图3所示)，则在该微元体上表面是真空，压力为0，下表面的压力为尾水压力。于是上、下表面的受力不平衡，微元体会迅速向上运动。同理，整个液体表面都会向上运动。它让出的空间将由尾水来补充。于是，水体流过叶片间的间隙，形成压差，会推动叶片及转动部分

10、向上移动。B) 转轮作为水泵，如上述的第4种运行工况，将转轮室里的水体排至尾水。这时，由于导叶已完全关闭，没有水体来对转轮室进行补充，因而会在转轮室内形成真空，在转轮停止转动时，会在叶片上下端面形成压差，产生向上推动叶片的作用力。另外，由了叶片排水，会产生水体对叶片的反作用力(泵升力)。从上面的分析可以看出，这里，实际上存在三种向上的作用力：压差产生的推力、反水锤产生的推力、以及水体对叶片的反作用力。当转轮作为水泵转动时，存在压差及水体对叶片的反作用力；当转轮停止转动后，存在压差及反水锤作用力。无论哪一种情况，都可能形成很大的上推力，足夠大时， 会造成抬机。例如，2006年，中国水利水电科学研

11、究院水力机电研究所赴叙利亚迪什林电站现场进行了测试。当时，尾水位为302.5米，机组安装高程为288.5米，即吸高为-14米（忽略转轮室叶片以上部分残留水体）。根据实测数据，这时，在转轮室顶盖下出现了真空，真空度为-5米（参见图4第5条曲线）。这样，转轮上、下端压差达19米。转轮直征为7.5米，上端中间主轴直径为1米。那么，仅由压差形成的抬机力可达： F = P* S =19(7.52-12) /4 = 824(吨)P=19米，S=(7.52-12) /4。再加上反水锤力，己大大超过了机组转动部分的重量(759吨)。因此，抬机已不可避免。这次抬机量达到29毫米。2, 调相运行是引起抬机的另一重

12、要原因如前第5种运行工况所述，调相运行时，若未能及时用压缩空气将转轮室的水体排出，机组会在“水中调相”，发电机会转变为一个同步电动机，整个机组会转变成一个同步电动泵。如前所述，会产生很大的泵升力， 同时，由于负压形成的压差，会产生向上的推力，引起抬机。泵升力计算公式为P = kR42, 其中，P为泵升力(吨)，k为系数(前苏联及东方电机厂的数据，k0.05，R为转轮半径(米)，为转轮转速(弧度/秒)。仍以迪什林电站为例，转轮半径为R = 7.5/2米，转速为 = 90.9转/分 = 90.9*2/60 = 9.5弧度/秒。这样，最大泵升力可达 P=kR42 = 0.05 * (7.5/2）4

13、* 9.52 = 892(吨)。再加上真空形成的压差产生的推力，已远远起出了转动部分重量(759吨)。如果没有足够气压的压缩空气补进转轮室，将转轮室里的水压向尾水，抬机必然会发生。叙利亚迪什林电站的机组，由于压缩空气系统已经损坏，每次进入调相运行，几乎无一例外地均发生了抬机。 t (秒)图4 机组参数随时间(t/秒)变化实测数据四， 防止抬机的方法由前述可知，引起抬机的根本原因在于转轮室内出现了真空。而真空的出现又存在二种可能：一是由于导叶关闭太快，使转轮室里的水体脱离了导叶；二是由于转动转变成了水泵，将转轮室里的水体排向了尾水。因此，要防止产生抬机，就必须针对这二个原因采取措施。 A, 对导

14、叶控制系统进行调整。由于迪什林电站的机组原来已是二段关闭 (如图5)：第一段关闭从开度100关至开度20，6.4秒；第二段关闭从开度20关至0，26秒。我们只将其进行了调整，改为第一段开度从100关至开度20，时间调为4-6秒；笫二段开度从20关至0，时间调为26-32秒。目的是略为加快第一段关闭速度，尽快降低转轮转速，并适当放慢第二段关闭速度，尽量降低导叶后水体流动惯性，避免水体与导叶脱离。 图5 原导叶二段关闭规律仍以迪什林电站机组为例，原设计二段关闭阀投入的条件是：1 正常停机，2 事故停机，3 甩负荷(至空载)停机。2002年6月，4号机组正在起动，突然发生了电气事故，机组从起动转为了

15、停机，结果，二段关闭阀未投入，导至抬机。鉴于上述，我们将二段关闭阀的投入条件改为了任何情况下停机，二段关闭都必须投入。图6 导叶和浆叶的协联关系 B, 改变转轮浆叶的关闭规律，使转轮不致于变成一个小排量、高压头的水泵。仍以叙利亚迪什林电站机组为例，按照原工厂的设计，导叶开度从100关至40 的过程中，浆叶开度和导叶开度遵循协联关系曲线(如图6)，同时关闭。当导叶开度关至40后，解除协联关系。从这里开始，导叶、浆叶开度不再遵循协联关系曲线，各自继续往下关至0。按照这种规律关闭浆叶，恰恰是一个造成抬机的重要原因。众所周知，轴流式水泵的压力(H)流量(Q)曲线如图7所示，即在一定的速下，流量越大，泵

16、所能提供的压力越低；反之，流量越小，泵所能提供的压力越高。另外，在同样的流量下，泵的转速越高，所能提供的压力就越高；泵的转速越低，所能提供的压力也越低。 如果按照原工厂的设计，在解除协联关系后，在继续关闭导叶的同时浆叶也将继续关至-13O最小位置，即是将转轮转变成了一个小流量高水头的水泵，它能够对抗尾水压力，将转轮室里的水排至尾水，使转轮室内出现真空，产生抬机力。反过来，若我们将其改造为在解除协联关系后，在继续关闭导叶的同时，将浆叶朝反方向打开，则我们会将转轮转变成一个大流量低水头的水泵，它所能产生的压力将不足克服尾水压力，不能将水体从转轮室泵出，转轮室将不会出现真空，抬机也就不可能发生了。应

17、当指出，过去，人们往往有一个错误的认识：以为导叶快速关闭，使导叶之后的水体与导叶脱离，在转轮室内形成了真空，才是导致抬机的唯一原因。 以为只要将导叶的关闭改为二段关闭，即可使转轮室内不形成真空，即可避免产生抬机。这种想法使迪什林电站在解决抬机问题上拖延了很长时期没得到解决。后来，我们才认识到仅仅改变导叶关闭规律是不够的，必须在改变导叶关闭规律的同时，再改变浆叶的关闭规律，必须同时解决转轮排水问题，才能彻底解决抬机问题。 图7 轴流泵的压力(H)和流量(Q)曲线(n1n2)我们的具体作法是：1) 调整导叶的二段关闭规律：笫一段，快关：46秒，从开度100关至开度40；第二段，慢关：2632秒，从

18、开度40关至0。2)在解除协联关系前，导叶、浆叶按协联关系同时关闭；在解除协联关系后，导叶继续往下关闭，直至完全关闭。同时，浆叶朝反方向打开，直至完全打开为止(或者，停止在协联关系解除时的位置不变，不同的机组情况有异)。 按照我们的作法，按第一阶段关闭导叶后，转轮的转速己迅速降低，不仅减少了导叶后水体脱离导叶的可能，也使转轮在第二阶段转变为水泵后，由于转速下降，使其能提供的泵压也大幅度下降。这样，抬机的可能性也就大大降低了。C, 至于调相运行产生的抬机，理论上讲，只要压缩空气系统正常工作，能够提供足够的压缩空气将转轮室里的水体压出，调相运行是不会引起抬机的。但是，实际上要达到以上所述是非常困难的。因为，对于大尺寸的水轮机来讲，密封面太大了，要确保在厐大的密封面上，长期保持具有相当压力(例如4Mpa)的空气压力不泄漏是非常困难的。另外，转轮室内的abcd空间相当大，要在短时间内向这空间提供足够的，具有一定压力的压缩空气，将这空间里的水压至尾水也是很难的。因为，压缩空气进入转轮室后，由于容积扩大，压力会迅速下