轴流转桨式水轮机抬机原因分析及防抬机措施

轴流转桨式水轮机抬机原因分析及防抬机措施

朱方

中电建水电开发集团有限公司 （四川省成都市 610000 ）

摘要：探寻轴流转桨式水轮机产生抬机的原因，对导致其出现抬机问题的具体原因进行总结，进而制定出有效的解决措施，通过采用真空阀安装或其他方式增加转轮室的补气量、合理的关闭规律、考虑防抬机结构设计等等，可有效防止水轮机的抬机。

关键词：轴流转浆式；水轮机抬机；原因分析

中图分类号: 文献标识码：A

引言

轴流转浆式水轮机抬机问题较为常见，一旦出现抬机问题，水轮机的正常工作就会受到影响，甚至会导致水轮机停止运行。本文对轴流转桨式水轮机产生抬机的主要原因进行了阐述，进而针对性地提出防止抬机问题发生的有效措施，保证机组的安全稳定运行。

1轴流转桨式水轮机出现抬机的原因

1.1制动工况

水轮机甩负荷时，水轮机的导叶进行紧急关闭，防止机组飞逸。在导叶快速关闭过程中，水轮机进入制动工况，在制动工况，水轮机水推力的方向由向下改为向上，变成了反向水推力，当反向水推力大于机组转动部分重量时，就会引起机组转动部分上抬。制动工况产生方向水推力是必然的，但是可以通过其他的措施减小反向水推力。

1.2反水锤

水轮机甩负荷时，导叶紧急关闭，由于尾水管水流惯性作用，水流依然会保持高速流动，在转轮区域会出现负压，行业曲线link appraisementindustryDOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2020.15.030可替代度影响力可实现度行业关联度真实度若负压超过一定数值，水流脱离转轮即产生水柱分离，此时尾水管里的水流惯性运动停止了，在下游水压的作用下，尾水管里的水会倒流以充满整个转轮区域的空腔，进而导致反水锤出现。由于反水锤的压力较大，会导致机组出现抬机问题出现。此类抬机问题出现，会对水轮机机组产生冲击，反水锤抬机冲击大，对安全运行危害大，必须防止反水锤的发生。

2 防止抬机的措施

防止轴流转桨式水轮机发生抬机问题的有效措施

图 1 为轴流式水轮机甩负荷过渡过程特性图，首先，工作人员需要了解水轮机的运作原理，通过折线图分析影响水轮机运行安全与稳定的因素有哪些。可以看出：机组转速的大小、机械设备运行时受到的压力大小，以及导叶开度和轴向水压力等方面都是目前工作人员在解决水轮机抬机问题时，需要关注的重点内容。目前，比较常见的解决方案就是对水轮机组进行集中控制，合理掌握机组的运作时间。根据水流流量、流速调节机组的运行模式。重点放在制动工况区和水轮机工况区的转换工作上，这对工作人员的机组设备操作能力也有着较高的要求，需要企业引起重视。同时，在机组的具体运作过程中，由于反向水推力始终存在，图中显示了分段关闭和直线关闭，水轮机各参数的过渡过程线，可以看到采用分段关闭方式，反向水推力的数值小于直线关闭。因此，在机组紧急甩负荷时，工作人员需要合理确定桨叶和导叶接力器的关闭速率。

2.1合理选择导叶关闭时间，减小反向水推力，以此消除抬机问题。导叶采用两段方式关闭，第一段采用快关，第二段采用慢关方式；桨叶采用一段方式关闭；导叶和桨叶关闭时间的合理选择，可减小反向水推力。另外，工作人员还应当提高自身的创新意识，积极研究优化机组设置方案，发挥水轮机应用优势的方法。

2.2转轮室补气

安装真空破坏阀，以此消除抬机问题。可将真空破坏阀安装于水轮机的顶盖之上，在导叶快速关闭之后，在尾水出现回流现象时，由于转轮室内出现负压，真空破坏阀将会自动开启，进而对转轮室进行补气，防止水柱分离，从而有效的避免抬机。

采用其他方法对转轮室的补气部分水电站虽安装了真空破坏阀，但在运行中依然存在抬机问题。出现这一问题有较多原因：一是真空破坏阀未能合理调节或真空破出现故障，致使转轮室内进入的空气量不足，未能有效阻止回流水与转轮的接触。二是尾水水位较高导致水流的下降速度变缓，致使水流在较短时间内达到转轮位置，进而未能完成补气水流与转轮接触的阻止。三是水轮机的主轴或者真空破坏阀的密封性受到了影响，致使在尾水回流时将补充的气体再次排出，进而导致反水锤出现。

针对这些问题，可以采用以下方法进行解决：1）定期进行主轴以及真空破坏阀的密封性检查，及时进行故障真空破坏阀的更换，并将十字补气架气阀进行关闭；2）轴流转桨式水轮机运行过程中，如真空破坏阀的密封性良好，可将真空破坏阀的弹力降低，以此提高对转轮室的补气；3）采用尾水管锥管的补气管进行补气也是增加转轮室补气量的有效方法。防抬机结构设计：1）固定部件结构部件考虑水轮机上抬因素，按照允许转动部分上抬一定的量进行设计；2）在水轮机支持盖上设有防止过量抬机的止推装置，此装置允许转动部分上抬一定的量（一般在 15mm 左右）详见（见图2）；3）在水导轴承油箱盖上设置监控主轴轴向位移的变送器，以随时监视主轴的轴向位移，根据监测结果对机组抬机做出预测，提前发出报警信号。

如前所述，引起抬机的根本原因在于转轮室内出现了真空或产生了“水中调相”。因此，防止抬机应从二方面着手：一，防止转轮室出现真空；二，防止出现“水中调相”。前己述及，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导叶；二是由于转轮变成了惯性水泵，将转轮室里的水体排向了下游。因此，必须针对这二个原因分别采取措施。对于防止水中调相，需要另外采取措施。对导叶控制系统进行调整，例如迪什林电站的机组原来已具有二段关闭功能：第一段关闭从导叶开度 100％关至 20％，约 7.2s；第二段关闭从导叶开度 20 ％关闭至 0，约 19 s。我们将其进行了调整，改为第一段开度从 100 ％关至 40 %, 时间调为 4 ~ 6 s；笫二段开度从 40 ％关至 0，时间调为 26 ~ 32 s。目的在于：在第一段，因导叶处于开启状态，不会产生抬机，可适当加快关闭速度，尽快降低转轮转速；在第二段，由于导叶接近关闭，为避免水体流速太快，造成与导叶脱离，宜放慢关闭速度，尽量降低导叶后水体流动惯性。另外，对二段关闭阀的投入条件也 进行了调整：原设计的二段关闭阀投入条件是“：在运转过程中，出现正常停机，事故停机或甩负荷（至空载）停机时，二段关闭阀投入”。

结语

综上所述，轴流转桨式水轮机的结构较为复杂，导叶和桨叶同时调节，机组甩负荷过程中，尾水管可能出现断流引起反水锤和水轮机进入制动工况，当反向水推力超过转轮部分重量，机组就会出现抬机。一旦出现抬机，使机组的某些零件损坏，被迫停机检修，严重影响机组的正常运行，甚至会导致安全事故问题的发生。如某轴流式水电站，机组安装完成后，进行空载过速试验，实验过程中，机组转动部分上抬。在上机架推力油箱中发生强烈的冲击声，机组随后紧急停机，停机检查中发现固定在油箱盖上的密封平板 12 根压紧螺栓断了 9根。

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