燈泡貫流式水輪機(jī)運(yùn)行中的幾個(gè)問(wèn)題

符勝蛟

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 增城 511340）

燈泡貫流式水輪機(jī)運(yùn)行中的幾個(gè)問(wèn)題

符勝蛟

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 增城 511340）

文章論述了燈泡貫流式水電站運(yùn)行中的協(xié)聯(lián)、水壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋斷裂等問(wèn)題及處理。

燈泡貫流式水輪機(jī)；協(xié)聯(lián)；水壓力脈動(dòng)；轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋應(yīng)力

1 概述

貫流式水輪機(jī)（燈泡貫流式、軸伸式、豎井式）廣泛應(yīng)用于低水頭水電站開(kāi)發(fā)中，中國(guó)目前已有200多臺(tái)軸伸貫流機(jī)組和150多臺(tái)燈泡貫流機(jī)組在運(yùn)行，還將有400多個(gè)水電站擬采用。燈泡貫流式水輪機(jī)水流暢直，水力效率較高，有較大的單位流量和單位轉(zhuǎn)速，在同一水頭、同一出力下，發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)尺寸較小。與選用立式軸流式水輪機(jī)相比：效率高，空化性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，廠房尺寸小，工程淹沒(méi)少，工程投資少，收益快。

近年來(lái)燈泡貫流水輪機(jī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑已做到7.5米以上（廣西長(zhǎng)洲電站），最大工作水頭達(dá)27米（湖南洪江電站），機(jī)組出力直逼60MW。隨著燈泡貫流式水輪機(jī)尺寸、容量的增大，其問(wèn)題逐漸凸顯。

（1）機(jī)組協(xié)聯(lián)運(yùn)行。

（2）葉片裂紋、轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋斷裂。

（3）振動(dòng)和水壓力脈動(dòng)。

2 燈泡貫流式水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)聯(lián)試驗(yàn)

轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)導(dǎo)葉與槳葉之間協(xié)聯(lián)關(guān)系，直接影響水輪機(jī)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性，在最優(yōu)協(xié)聯(lián)條件下水輪機(jī)的運(yùn)行效率最高、振動(dòng)最小、空蝕最輕。制造廠通過(guò)模型試驗(yàn)，提供了協(xié)聯(lián)關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)就是根據(jù)制造廠提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)整定的。由于模型試驗(yàn)的相似性偏差，水輪機(jī)導(dǎo)葉、槳葉等有關(guān)部件加工制造，安裝調(diào)整偏差；同時(shí)考慮到發(fā)電機(jī)特性以及測(cè)試系統(tǒng)（水力測(cè)試、機(jī)械測(cè)試、電器測(cè)試）測(cè)試偏差等，造成實(shí)際運(yùn)行時(shí)制造廠提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系并非最優(yōu)，同一電站，不同機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系亦有偏差（已經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)）。因此需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取真機(jī)的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系，并以此為依據(jù)進(jìn)行協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)整。

一些電站，由于運(yùn)行管理或測(cè)試系統(tǒng)不能正常工作等問(wèn)題，水輪機(jī)長(zhǎng)期采用調(diào)速器輸入固定水頭方式運(yùn)行，嚴(yán)重偏離協(xié)聯(lián)工況運(yùn)行，機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行存在重大隱患。

機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系試驗(yàn)是雙調(diào)節(jié)水輪機(jī)首要應(yīng)進(jìn)行的工作之一，對(duì)貫流式電站，至少應(yīng)進(jìn)行最小、最大、設(shè)計(jì)三個(gè)水頭試驗(yàn)，最好能進(jìn)行5個(gè)水頭測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。電站應(yīng)建立水力測(cè)量系統(tǒng)日常維護(hù)、巡檢制度，測(cè)壓管路應(yīng)定期（特別是在大修后，汛后）排污、排氣、疏通，定期對(duì)測(cè)量傳感器和測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)，保證測(cè)試系統(tǒng)精確可靠運(yùn)行。圖1為貫流水輪機(jī)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)聯(lián)試驗(yàn)結(jié)果。貫流機(jī)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)聯(lián)試驗(yàn)一般采用固定槳葉角度，變導(dǎo)葉角度進(jìn)行。圖2為實(shí)測(cè)協(xié)聯(lián)關(guān)系與原給定協(xié)聯(lián)關(guān)系差別，二者差別比較大。

圖1 真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)聯(lián)試驗(yàn)

圖2 給定協(xié)聯(lián)關(guān)系與實(shí)測(cè)協(xié)聯(lián)關(guān)系差別

3 貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋斷裂

在追求高效率條件下，轉(zhuǎn)輪模型葉片越來(lái)越薄，為保證原、模型性能相似，原型葉片只能按幾何比尺放大。隨著貫流機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的增大（5米以上），按幾何比尺放大后的轉(zhuǎn)輪葉片相對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性改變（整體和局部自振頻率下降），而水輪機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、流場(chǎng)動(dòng)力特性方面研究滯后；在制造方面存在材料和加工缺陷；電站運(yùn)行管理落后，非協(xié)聯(lián)運(yùn)行和頻繁變負(fù)荷（調(diào)峰），造成機(jī)組長(zhǎng)期在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。水輪機(jī)葉片裂紋問(wèn)題已成為制約大型貫流式水輪機(jī)安全運(yùn)行的主要因素。圖 3：水輪機(jī)葉片產(chǎn)生裂紋后造成轉(zhuǎn)輪葉片前水壓力脈動(dòng)正峰值出現(xiàn)倍頻。圖 4：無(wú)裂紋水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片前水壓力脈動(dòng)歷時(shí)線

圖3 轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間水壓力脈動(dòng)

圖4 轉(zhuǎn)輪葉片無(wú)裂紋貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間水壓力脈動(dòng)

貫流試水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋斷裂為近年在大型機(jī)上產(chǎn)生的新問(wèn)題，大型貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室壁厚一般在 80～100mm，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算，轉(zhuǎn)輪室外壁不加環(huán)筋加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也不存在問(wèn)題，某電站轉(zhuǎn)輪直徑7.1米，轉(zhuǎn)輪式外等距布設(shè)5道環(huán)筋，環(huán)筋厚30mm，寬200mm，從轉(zhuǎn)輪出口至進(jìn)口分別為1、2、3、4、5號(hào)。4號(hào)環(huán)筋處于轉(zhuǎn)輪葉片中心部位，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果：水輪機(jī)充水后環(huán)筋拉應(yīng)力均小于8MPa；機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)1、2、3、5、號(hào)環(huán)筋動(dòng)應(yīng)力值不超過(guò)50MPa；而4號(hào)環(huán)筋動(dòng)應(yīng)力值異常，變幅70～180MPa。環(huán)筋斷裂原因?yàn)椋哼^(guò)大的動(dòng)應(yīng)力引起的材料疲勞破壞所致。圖5為轉(zhuǎn)輪室五道環(huán)筋動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 ；圖6為4號(hào)環(huán)筋最大動(dòng)應(yīng)歷時(shí)線。4個(gè)葉片對(duì)環(huán)筋動(dòng)應(yīng)力的影響差別反映了每個(gè)葉片制造質(zhì)量差別、安裝調(diào)整、葉片外緣間隙和特別應(yīng)引起注意的大型貫流水輪機(jī)葉片不對(duì)稱的流場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境問(wèn)題。

圖5 貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)輪室葉片中心處環(huán)筋（4號(hào)環(huán)筋）動(dòng)應(yīng)力

4 振動(dòng)和水壓力脈動(dòng)

燈泡貫流式水輪機(jī)效率高，空化性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，廠房尺寸小，工程淹沒(méi)少，工程投資少是其固有的優(yōu)勢(shì)。然而隨著轉(zhuǎn)輪直徑的增大燈炮機(jī)問(wèn)題也凸顯出來(lái)。

（1）轉(zhuǎn)輪葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)壓力場(chǎng)不均，直接影響為葉片空化狀態(tài)不穩(wěn)定，從而影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

（2）進(jìn)水流道過(guò)流斷面的不均勻，加之壓力場(chǎng)的變化，造成轉(zhuǎn)輪上下流場(chǎng)不一致，而引起機(jī)組振動(dòng)。

（3）對(duì)水輪機(jī)水壓力脈動(dòng)研究，一般關(guān)心尾水管低頻渦帶振動(dòng)，而對(duì)燈泡貫流式水輪機(jī)認(rèn)為：水頭比較低，壓力脈動(dòng)再大對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性影響也有限。真機(jī)測(cè)試結(jié)果表明（燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑7.1m，額定水頭11m），在低負(fù)荷尾水管進(jìn)口低頻渦帶脈動(dòng)雙幅值低于2.5米，在40%額定出力以上不大于1m，尾水管水壓力脈動(dòng)影響不大；最大壓力脈動(dòng)值出現(xiàn)在導(dǎo)葉進(jìn)口，在額定出力40%以上負(fù)荷,水壓力脈動(dòng)雙幅值 5m，最大達(dá) 5.5m；導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間水壓力脈動(dòng)雙幅值3m左右（圖7）。對(duì)燈泡貫流式水輪機(jī)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)葉前、無(wú)葉區(qū)和轉(zhuǎn)輪室水壓力脈動(dòng)研究和監(jiān)測(cè)。轉(zhuǎn)輪室、葉片等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮水壓力脈動(dòng)和動(dòng)應(yīng)力影響。

TM312

A

1008-1151(2011)08-0141-02

2011-04-29

符勝蛟，男，供職于廣東水電二局股份有限公司。

圖7 燈泡貫流式水輪機(jī)水壓力脈動(dòng)