論文：軸流轉漿式水輪機重點

1、軸流轉漿式水輪機產生抬機的原因及防止方法 四川省機械設備進出口有限責任公司姚瑜寧 閔建秋軸流轉漿式水輪機，因其結構特點，容易產生抬機。我們在敘利亞承建的迪什林水電站所用軸流轉漿式水輪機組自1999年11月投運以后，十年間發(fā)生了24次抬機。抬機發(fā)生時，機組轉動部分上抬25-30毫米，造成水輪機工作密封跳出、接頭撕裂、集電環(huán)碳刷和刷架損壞特別是抬機引起的撞擊和伴隨著抬機產出的反水錘現(xiàn)象給葉片造成了很大的損傷，給電站運行帶來了諸多麻煩。因此，對于多數(shù)采用軸流轉漿式水輪發(fā)電機組的水電站來說，解決抬機問題成了一道繞不過去的坎。而過去，人們對于抬機機理的認識存在一定的誤區(qū)，對抬機問題的解決造成了一定的障礙

2、。在解決迪什林電站的抬機問題時，我們提出了一些新的思路，并取得了成功。本文擬對我們的作法進行一些探討，從理論上進行總結，提出一套有效的解決方案。一， 機組的基本情況我們在敘利亞承建的迪什林水電站位于敘利亞境內幼發(fā)拉底河上，共6臺機組，單機容量是105MW，總裝機容量630MW，選用ZZ440a-LH-750型軸流轉漿式水輪機，SF105-66/12800型發(fā)電機。電站除正常發(fā)電外，為平衡電網無功，機組還要承擔調相運行任務。如前所述，10年間發(fā)生的24次抬機中，有詳細記錄的達20次。其中，水中調相，6次；甩負荷過程中，由空載運行轉為停機(二段關閉閥未投入)，5次；事故停機(二段關閉閥未投入)，9

3、次。二， 軸流轉漿式水輪發(fā)電機組的五種典型運行工況1， 軸流轉漿式水輪發(fā)電機組的正常發(fā)電運行工況：發(fā)電機與電網連接，水輪機導葉開啟時的正常發(fā)電運行工況。這時，由于上游水位比下游水位高得多，水頭(上下水位差)作用在葉片上的合力方向向下，不可能產生抬機。轉輪葉片受力如圖1(a)所示。圖1 水輪機葉片的受力（p為水流與葉片的作用力, R 為合力, v、w、u為水的速度,） 2, 機組正常停機運行工況：機組按照預先設定的導葉、漿葉關閉規(guī)律從前述的正常運行工況轉為機組停止運轉的正常停機過程。3， 軸流轉漿式水輪發(fā)電機組的空載運行工況：機組從正常運行工況轉為甩掉負荷至空載運行，即發(fā)電機與電網解列，水輪機導

4、葉從開啟關至很小開度(例如全開的1113) 時的運行工況。此時，由于導葉開度很小，水頭產生的動力很小，僅用于克服機組轉動時的摩擦阻力，維持機組空轉。從這種工況再轉為導葉全關，使機組停機，若導葉的二段關閉閥未投入或漿葉關閉角度很小，即會引起抬機。4, 軸流轉漿式水輪發(fā)電機組的事故停機工況：在機組迂到緊急情況的時候，發(fā)電機與電網突然解列，同時，水輪機導葉迅速、完全關閉的非正常停機運行工況。這時，由于導葉已完全關閉，上游水位形成的壓力不能透過導葉作用到葉片上，而轉輪由于慣性還在繼續(xù)轉動。而發(fā)電機已解列，因此，水輪機會變成一個慣性水泵，將轉輪室里的水排向尾水。且由于發(fā)電機解列突然，甩掉了負荷，轉子轉速

5、會在短時間內迅速提升，加大了慣性泵的轉速，加強了水泵的排水功能。另外，由于水輪機轉變成了水泵，其葉片受情況如圖1(b)所示，合力方向向上。如果泵升力大于機組轉動部分的重量，即可產生抬機。另外，由于導葉關閉得很快，導葉關閉后，轉輪室的水體由于慣性會繼續(xù)流動，造成轉輪室內水體與導葉脫離，在轉輪室內形成真空，這是造成抬機的另一個原因。5, 軸流轉漿式水輪發(fā)電機組的調相運行工況：發(fā)電機與電網連接，水輪機導葉完全關閉，同時，用壓縮空氣將轉輪室的水壓至尾水時的運行工況。此時，機組不再向電網輸送有功，而是從電網吸收有功，同時向電網輸送無功，以平衡電網的無功。此時，定子中會產生旋轉磁場，在轉子繞組通入勵磁電流

6、后，會產生轉子磁場。定子磁場在前，轉子磁場在后，定子旋轉磁場拖著轉子與之等速旋轉。這時，如果轉輪室內的水體未能及時排出，發(fā)電機就會變成一個同步電動機，而水輪機則會變成一臺同步水泵，將轉輪室里的水排問尾水。如上所述，該水泵葉片上所受力的合力方向向上，且由于該水泵轉速很高，其泵升力會很大，若泵升力大于水輪發(fā)電機組轉動部分的重量，即可產生抬機。因此，轉輪室內供氣壓水是進行調相運行的必不可少的條件。 從上面的分析可以看出，只要導葉未關閉，轉輪就會作為水輪機運行。上下游水位差造成的水頭壓在葉片上，水頭差產生的向下的力比可能產生的向上的力大得多，葉片所受力的合力始終向下。在這種情況下，由于葉片沒有可能得到

7、向上的合力，因此，機組抬機是不可能產生的。我們研究抬機，著眼點就應當放在導葉完全關閉以后，直至轉輪停止轉動的這一段水輪機轉變?yōu)樗靡院蟮亩虝簳r間內，研究水輪機轉變?yōu)樗靡院蟮氖芰η闆r及運行狀況的變化。三，軸流轉漿式水輪的抬機機理1， 轉輪室出現(xiàn)真空是產生抬機的根本原因從圖2可以看出，水輪機葉片以上abcd空間透過導葉與上游水位連系在一起，葉 圖2 機組水流示意圖：1 轉輪室 2 主抽 3 導葉 4 葉片5 下游水位 6 頂蓋 7上游水位 8尾水門 abcd空間 轉輪室片以下的空間透過尾水門與尾水連系在一起。這些空間平時均充滿了水體。由于上游水位比下游水位高得多，水頭壓在葉片上，水輪機轉動部分不

8、可能上移，而是牢牢地坐在主軸下端的止推軸承上。另外，由于水體不可壓縮，水體abcd像一個“液體墊”一樣隔在頂蓋和葉片之間，葉片及轉動部分要上移是不可能的。只有當水體abcd被排出一部分，且上游水體不能進來補充，空間abcd出現(xiàn)真空時，葉片及轉動部分才可能上移，形成抬機。 那么，出現(xiàn)什么狀況，空間abcd才會出現(xiàn)真空呢？A) 導葉從正常運行轉為迅速、完全關閉，如上述的第4種運行工況。由于導葉關閉速度很快，當其完全關閉后，把上游水體與轉輪室隔斷，而這時，轉輪室內的水體會因慣性而繼續(xù)流動，這樣，轉輪室的水體會脫離導葉，在轉輪室上部形成真空。一旦真空形成，在轉輪停止轉動時，會在轉輪葉片上、下端形成壓差

9、，產生向上推動葉片的作用力；另一方面，由于真空存在，在尾水壓力作用下，會產生反水錘，產生動態(tài)的向上作用力。圖3 在液面的微元體A關于壓差問題，說明如下。對于迪什林電站的機組，當漿葉關至最小角度-13o時，相鄰兩葉片間尚有約100多毫米間隙。按照帕斯卡原理，葉片上下壓力應當一致，為什么這里會有壓差呢？因為，這里存在真空。設在液體表面取一厚度為的矩形微元體A(如圖3所示)，則在該微元體上表面是真空，壓力為0，下表面的壓力為尾水壓力。于是上、下表面的受力不平衡，微元體會迅速向上運動。同理，整個液體表面都會向上運動。它讓出的空間將由尾水來補充。于是，水體流過葉片間的間隙，形成壓差，會推動葉片及轉動部分

10、向上移動。B) 轉輪作為水泵，如上述的第4種運行工況，將轉輪室里的水體排至尾水。這時，由于導葉已完全關閉，沒有水體來對轉輪室進行補充，因而會在轉輪室內形成真空，在轉輪停止轉動時，會在葉片上下端面形成壓差，產生向上推動葉片的作用力。另外，由了葉片排水，會產生水體對葉片的反作用力(泵升力)。從上面的分析可以看出，這里，實際上存在三種向上的作用力：壓差產生的推力、反水錘產生的推力、以及水體對葉片的反作用力。當轉輪作為水泵轉動時，存在壓差及水體對葉片的反作用力；當轉輪停止轉動后，存在壓差及反水錘作用力。無論哪一種情況，都可能形成很大的上推力，足夠大時， 會造成抬機。例如，2006年，中國水利水電科學研

11、究院水力機電研究所赴敘利亞迪什林電站現(xiàn)場進行了測試。當時，尾水位為302.5米，機組安裝高程為288.5米，即吸高為-14米（忽略轉輪室葉片以上部分殘留水體）。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，這時，在轉輪室頂蓋下出現(xiàn)了真空，真空度為-5米（參見圖4第5條曲線）。這樣，轉輪上、下端壓差達19米。轉輪直征為7.5米，上端中間主軸直徑為1米。那么，僅由壓差形成的抬機力可達： F = P* S =19(7.52-12) /4 = 824(噸)P=19米，S=(7.52-12) /4。再加上反水錘力，己大大超過了機組轉動部分的重量(759噸)。因此，抬機已不可避免。這次抬機量達到29毫米。2, 調相運行是引起抬機的另一重

12、要原因如前第5種運行工況所述，調相運行時，若未能及時用壓縮空氣將轉輪室的水體排出，機組會在“水中調相”，發(fā)電機會轉變?yōu)橐粋€同步電動機，整個機組會轉變成一個同步電動泵。如前所述，會產生很大的泵升力， 同時，由于負壓形成的壓差，會產生向上的推力，引起抬機。泵升力計算公式為P = kR42, 其中，P為泵升力(噸)，k為系數(shù)(前蘇聯(lián)及東方電機廠的數(shù)據(jù)，k0.05，R為轉輪半徑(米)，為轉輪轉速(弧度/秒)。仍以迪什林電站為例，轉輪半徑為R = 7.5/2米，轉速為 = 90.9轉/分 = 90.9*2/60 = 9.5弧度/秒。這樣，最大泵升力可達 P=kR42 = 0.05 * (7.5/2）4

13、* 9.52 = 892(噸)。再加上真空形成的壓差產生的推力，已遠遠起出了轉動部分重量(759噸)。如果沒有足夠氣壓的壓縮空氣補進轉輪室，將轉輪室里的水壓向尾水，抬機必然會發(fā)生。敘利亞迪什林電站的機組，由于壓縮空氣系統(tǒng)已經損壞，每次進入調相運行，幾乎無一例外地均發(fā)生了抬機。 t (秒)圖4 機組參數(shù)隨時間(t/秒)變化實測數(shù)據(jù)四， 防止抬機的方法由前述可知，引起抬機的根本原因在于轉輪室內出現(xiàn)了真空。而真空的出現(xiàn)又存在二種可能：一是由于導葉關閉太快，使轉輪室里的水體脫離了導葉；二是由于轉動轉變成了水泵，將轉輪室里的水體排向了尾水。因此，要防止產生抬機，就必須針對這二個原因采取措施。 A, 對導

14、葉控制系統(tǒng)進行調整。由于迪什林電站的機組原來已是二段關閉 (如圖5)：第一段關閉從開度100關至開度20，6.4秒；第二段關閉從開度20關至0，26秒。我們只將其進行了調整，改為第一段開度從100關至開度20，時間調為4-6秒；笫二段開度從20關至0，時間調為26-32秒。目的是略為加快第一段關閉速度，盡快降低轉輪轉速，并適當放慢第二段關閉速度，盡量降低導葉后水體流動慣性，避免水體與導葉脫離。 圖5 原導葉二段關閉規(guī)律仍以迪什林電站機組為例，原設計二段關閉閥投入的條件是：1 正常停機，2 事故停機，3 甩負荷(至空載)停機。2002年6月，4號機組正在起動，突然發(fā)生了電氣事故，機組從起動轉為了

15、停機，結果，二段關閉閥未投入，導至抬機。鑒于上述，我們將二段關閉閥的投入條件改為了任何情況下停機，二段關閉都必須投入。圖6 導葉和漿葉的協(xié)聯(lián)關系 B, 改變轉輪漿葉的關閉規(guī)律，使轉輪不致于變成一個小排量、高壓頭的水泵。仍以敘利亞迪什林電站機組為例，按照原工廠的設計，導葉開度從100關至40 的過程中，漿葉開度和導葉開度遵循協(xié)聯(lián)關系曲線(如圖6)，同時關閉。當導葉開度關至40后，解除協(xié)聯(lián)關系。從這里開始，導葉、漿葉開度不再遵循協(xié)聯(lián)關系曲線，各自繼續(xù)往下關至0。按照這種規(guī)律關閉漿葉，恰恰是一個造成抬機的重要原因。眾所周知，軸流式水泵的壓力(H)流量(Q)曲線如圖7所示，即在一定的速下，流量越大，泵

16、所能提供的壓力越低；反之，流量越小，泵所能提供的壓力越高。另外，在同樣的流量下，泵的轉速越高，所能提供的壓力就越高；泵的轉速越低，所能提供的壓力也越低。 如果按照原工廠的設計，在解除協(xié)聯(lián)關系后，在繼續(xù)關閉導葉的同時漿葉也將繼續(xù)關至-13O最小位置，即是將轉輪轉變成了一個小流量高水頭的水泵，它能夠對抗尾水壓力，將轉輪室里的水排至尾水，使轉輪室內出現(xiàn)真空，產生抬機力。反過來，若我們將其改造為在解除協(xié)聯(lián)關系后，在繼續(xù)關閉導葉的同時，將漿葉朝反方向打開，則我們會將轉輪轉變成一個大流量低水頭的水泵，它所能產生的壓力將不足克服尾水壓力，不能將水體從轉輪室泵出，轉輪室將不會出現(xiàn)真空，抬機也就不可能發(fā)生了。應

17、當指出，過去，人們往往有一個錯誤的認識：以為導葉快速關閉，使導葉之后的水體與導葉脫離，在轉輪室內形成了真空，才是導致抬機的唯一原因。 以為只要將導葉的關閉改為二段關閉，即可使轉輪室內不形成真空，即可避免產生抬機。這種想法使迪什林電站在解決抬機問題上拖延了很長時期沒得到解決。后來，我們才認識到僅僅改變導葉關閉規(guī)律是不夠的，必須在改變導葉關閉規(guī)律的同時，再改變漿葉的關閉規(guī)律，必須同時解決轉輪排水問題，才能徹底解決抬機問題。 圖7 軸流泵的壓力(H)和流量(Q)曲線(n1n2)我們的具體作法是：1) 調整導葉的二段關閉規(guī)律：笫一段，快關：46秒，從開度100關至開度40；第二段，慢關：2632秒，從

18、開度40關至0。2)在解除協(xié)聯(lián)關系前，導葉、漿葉按協(xié)聯(lián)關系同時關閉；在解除協(xié)聯(lián)關系后，導葉繼續(xù)往下關閉，直至完全關閉。同時，漿葉朝反方向打開，直至完全打開為止(或者，停止在協(xié)聯(lián)關系解除時的位置不變，不同的機組情況有異)。 按照我們的作法，按第一階段關閉導葉后，轉輪的轉速己迅速降低，不僅減少了導葉后水體脫離導葉的可能，也使轉輪在第二階段轉變?yōu)樗煤?，由于轉速下降，使其能提供的泵壓也大幅度下降。這樣，抬機的可能性也就大大降低了。C, 至于調相運行產生的抬機，理論上講，只要壓縮空氣系統(tǒng)正常工作，能夠提供足夠的壓縮空氣將轉輪室里的水體壓出，調相運行是不會引起抬機的。但是，實際上要達到以上所述是非常困難的。因為，對于大尺寸的水輪機來講，密封面太大了，要確保在厐大的密封面上，長期保持具有相當壓力(例如4Mpa)的空氣壓力不泄漏是非常困難的。另外，轉輪室內的abcd空間相當大，要在短時間內向這空間提供足夠的，具有一定壓力的壓縮空氣，將這空間里的水壓至尾水也是很難的。因為，壓縮空氣進入轉輪室后，由于容積擴大，壓力會迅速下