补气方式对水轮机稳定运行的影响

李奎生，冯艳蓉

（1.国网新源丰满培训中心，吉林省吉林市 132108；2.丰满发电厂，吉林省吉林市 132108）

补气方式对水轮机稳定运行的影响

李奎生1，冯艳蓉2

（1.国网新源丰满培训中心，吉林省吉林市 132108；2.丰满发电厂，吉林省吉林市 132108）

效率、空蚀和稳定性是水轮机水力性能的三大主要指标，补气对水轮机消除振动和稳定运行、改善空蚀性能和提高效率都有直接影响。本文通过不同水轮机采用不同的补气方式及使用效果进行了详细的分析，供类似型式水轮机的电厂借鉴和参考。

水轮机；空蚀； 补气方式； 稳定运行

1 概述

效率、空蚀和稳定性是水轮机水力性能的三大主要指标，转轮的效率和空蚀特性易体现在经济指标上，在水电站设计上往往比较重视。稳定性虽关系到机组能否正常运行，但很难用经济指标衡量，以往在选型设计中往往被忽视。

水轮机水力稳定性问题比较复杂，在水电站中的表现形式也是多种多样，如部分负荷时出现尾水管蜗带引起的压力脉动，固定导叶后或转轮叶片后出现卡门涡、叶道涡引发水力振动，导叶与叶片数不匹配引发频率数的压力脉动，转轮迷宫环间隙引发水力振动或自激振动；叶片动态应力过高引发振动或叶片裂纹，压力钢管或蜗壳水压脉动引发水力共振等，因水轮机稳定性问题关系到机组能否正常运行，该问题已经引起行业的普遍关注。

长期以来，丰满发电厂工程技术人员对混流式水轮机水力不稳定问题，进行了深入研究，陆续发现，除了尾水管涡带外，混流式水轮机还存在一系列不稳定问题。如机组振动超标、转轮叶片裂纹、尾水管钢衬撕裂、水力自激振动、转轮叶片空蚀等问题，严重威胁水电机组长期安全稳定运行。

补气对水轮机消除振动和稳定运行、改善空蚀性能和提高效率都有直接影响。主轴中心补气、尾水管内十字架补气和顶盖补气，这三种补气方式都靠真空吸力补气。丰满发电厂从半个世纪的运行经验中体会到，水轮机补气对机组的稳定运行影响较大，由于水轮机部分结构及转轮型号的不同，其补气效果也各不相同，因而，要求根据其结构的具体情况，确定合理的补气方式，势必促进水轮机长期安全稳定运行。现将该厂机组的补气情况及效果介绍如下：

2 水轮机补气方式及效果

丰满发电厂共有12台水轮发电机组、6种水轮机型号，水轮机补气方式有主轴中心孔补气、十字架补气、短管补气、顶盖补气、叶片补气四种，水轮机的补气方式及效果详见表1。

2.1 水轮机顶盖补气（一号机）

一号水轮机主轴为实心轴，水轮机补气方式为顶盖补气（见图1）。它是由主厂房外引入一根补气管，通过一个φ250mm的弹簧式空气阀，经水轮机顶盖把空气引到法兰保护罩上方的空腔部位，然后通过14个法兰结合螺栓的φ45mm的中心孔进入泄水锥，实现轴中心补气。实际运行表明，这种补气方式对一号水轮机的补气量最大可达1.5～1.8m3/s，补气尚有一定好的效果。

表1 机组补气情况统计表

现对一号水轮机在自由补气、适量补气与不补气三种状况下的试验结果分析如下：

（1）机组相对效率的影响分析（见图2）。以机组所带负荷30MW为分界线，低于此负荷，自由补气可提高机组效率；高于此负荷，自由补气对机组效率无明显影响，但当机组所带负荷在60MW及以上时，机组相对效率明显下降（约1.5%）。

（2）从对机组振动的影响分析（见图3），机组所带负荷小于30MW时，补气减小了振动幅值；在30～50MW，由于补气量反而减小（见图4），因而使机组振动有所增加；60MW以上补气对振动基本无影响。

图1 一号水轮机顶盖补气结构图

图2 一号水轮机补气对相对效率的影响

图3 一号水轮机补气对振动的影响

图4 一号机组轴中心补气量曲线

（3）对水轮机转轮叶片及尾水管的影响。因原来设计的轴中心补气，机组在运行中补气的噪声大，故人为地关闭了补气阀，在接下来的机组大修中发现水轮机转轮叶片的空蚀较严重，尾水管钢衬大面积脱落，通过改进补气阀的结构，消除了补气阀的噪声，机组恢复正常补气运行。由于一号水轮机的顶盖补气效果较好，对减轻转轮空蚀强度有一定作用；尾水管里衬脱落修复后，一直运行至今，没有再次出现尾水管里衬脱落问题。

2.2 转轮叶片补气（七号机）

七号（苏联）水轮机转轮，由于叶型设计得不合理，转轮叶片的空蚀、裂纹等重大缺陷不断发生。为了解决这一问题，1978年12月，七号机组扩大性大修中，在转轮叶片空蚀、裂纹严重的十号机叶片出口边的背面，埋设补气管（见图5），以减轻转轮叶片的空蚀及裂纹。

图5 补气管布置示意图及补气管在空蚀区布置图

七号机组当运行至1992年6月，机组大修时发现转轮7个叶片出现裂纹，最长的约500mm，裂纹错位约13mm。严重威胁机组安全稳定运行。该转轮埋设补气管的叶片，不仅没有裂纹，而且叶片空蚀非常轻。

2.3 水轮机主轴中心孔补气（3、4、5、7、8、9、10号机）

八号水轮机为苏制，为了解决补气装置引起主厂房的噪声增大等问题。对原轴中心补气装置进行了改进（见图6）。

图6 水轮机轴中心补气系统图

图7 八号水轮机补气试验成果曲线

轴中心补气用原有的由主厂房外引入的补气管，进入一个利用下部走台而构成密闭空气室，经水轮机轴上法兰四个扩大至φ50mm的径向孔而进入轴中心孔，径向孔口安设了四个微力弹簧逆止阀，取消了轴中心孔下端的木心橡胶球逆止阀，为了使由轴中心孔下泄的气流不被经法兰结合螺栓中心孔下泄水流所阻碍，在泄水锥内设有圆筒形隔水板，并在泄水锥下方装设了一个多孔的栅板，以使气流能较均匀地下泄。

这种轴中心新补气方式，在八号机组上进行了补气与不补气两种状态下的振动与补气量的试验，试验成果见图7。从图7中可以看出：

（1）八号机补气量较为合适，最大约为0.4～0.7m3/s。

（2）在机组负荷低于60MW时，补气对机组振动均有明显效果，负荷高于60MW时，补气对机组振动基本无影响。

经过多年运行的实际考验，水轮机补气效果良好，不仅从根本上解决了水轮机在运行水轮机法兰窜水问题，而且减小了发电机主厂房补气的噪声，改善了环境。

九、十号水轮机转轮与盐滩水电站机组同型号，同样采取这种水轮机主轴中心孔补气方式，这两台机组经过近20年的运行，没有出现转轮叶片裂纹、空蚀及机组振动严重超标问题，机组运行情况良好。

图8 尾水管十字架补气装置简图

1997年对4号机组进行了现代化增容改造，更新了水轮机转轮，取消了原十字架补气系统，增设了主轴中心孔补气系统（同七、八号机），经过现场试验的结果表明，改造前较大的补气噪声已经消失，机组运行稳定性好，在全负荷范围内机组的振动很小。

十一、十二号机组。这两台机组选用主轴中心孔补气和短管补气两种方式，空气有发电机主轴上部经轴端逆止阀、主轴中心孔进入尾水管。当机组在运行补气时，厂房内的噪声较大，机组投入运行初期曾经常出现发电机轴上端部窜水问题，现已经彻底解决。

2.4 十字架补气（二、六号机）

通过对水轮机尾水管内径向水流压力脉动的试验成果表明，压力脉动幅值呈现较大的区域在（1/3～2/3）D的范围内。而采用轴中心补气，很难将空气有效地补到这个区域。为了弥补轴中心补气方式的不足，自1964年以来，分别于二、六号尾水管进口装设了十字架补气装置，其结构见图8。它利用了设备原有的由主厂房外引至水轮机基础环外空腔的补气通道，将十字架的四根补气管与均布于基础环的四孔相连接，为防止机组调相压水时由此向外排压缩空气，在孔口设有逆止阀，补气管两端为双层管结构，以增加其强度，十字架中心为一双层中空的圆锥形结构，其外径尺寸应与泄水锥形状相吻合，补气位置有两处，一是通过两根补气管向中心圆筒供气，以实现向尾水管中心补气；另一是通过另外两根补气管，在其管中间部位各安设有6×φ40mm的补气管，向尾水管1/2D处补气。

图9 六号机十字架补气对机组振动的影响

通过对六号机组进行的尾水管十字架补气试验成果示见图9中，从中可以看出：

六号机组的补气效果较好。尾水管不补气时，导叶开度在a0=20%～50%，出现尾水管压力脉动，a0=40%工况下，压力脉动幅值为最大。补气后效果十分显著，除a0=40%时仍有较小的压力脉动外，其余工况已消除了尾水管的压力脉动，但压力有所增加。当机组导叶开度在a0=60%以上时，尾水管内水流基本上已不出现压力脉动，因此，补气也就没有多大作用了。补气后机组振动较小，使机组运行更趋于稳定。

3 结论

（1） 该厂现有三种轴中心补气方式和一种尾水管十字架补气方式。试验表明均能自由补气，最大补气量可达1.5m3/s。运行实践证明，这种尾水管十字架补气装置运行良好，六号机组尾水管十字架补气装置至今已运行近50年之久，除局部地点有轻微的空蚀破坏外，基本完好。

（2）该厂现有三种轴中心补气方式，八号机组所采用的轴中心新补气方式优于一号机组的轴中心补气方式。这种补气方式的优点还在于能连续补气、厂内无补气噪声，且给自动调节补气量创造了条件。十一、十二号机组轴中心孔补气，当机组运行时，补气噪声较大。

（3）尾水管十字架补气装置在二种不同型号的转轮下试验结果表明，瑞士转轮十字架补气效果最好，苏联的PO631转轮效果不好。估计其主要原因是因为不同型号的转轮，其出流情况也各不相同，当水轮机带部分负荷而出现尾水管压力脉动时，其涡带的形状与运动方式也各有差异，因而能否找到其合理的补气装置，对其补气效果的好坏起决定性的作用。

（4）混流式水轮机装设必要的自然补气系统，输入能够满足稳定机组运行的必要补气量，是保证机组安全、稳定的必要措施，但是过量的补气会造成机组效率下降，因此应该开发按需自动控制的补气系统，通过优化补气调整振动、空蚀、效率三者关系，使机组运行在最佳状态。

[1]王玲花.水轮发电机组振动及分析.GIP.郑州：黄河水利出版社，2011.

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李奎生（1963—），男，本科学历，高级讲师，长期从事水电运行仿真开发与培训。E-mail: lksheng2345678@sohu.com

冯艳蓉（1964—），女，研究生，教授级高工，从事水电机组维护、检修及技术改造。ryf222392@sina.com

Effect of Air Supply Mode on the Stability of Hydraulic Turbine Operation

LI Kuisheng，FENG Yanrong
(1.Fengman training center of Jilin Province State Grid Xin Yuan，Jilin 132108；2. Fengman Power Plant in Jilin Province，Jilin 132108)

Efficiency，cavitation and stability are key indicators about the performance of hydraulic turbine. The air supply mode has direct influences on eliminating vibration，improving stability，improving cavitation situation and improving efficiency of the turbine. The effects of different air supply mode on different turbines are analyzed and compared in detail in this paper. The results can be the reference for the power plants which have similar turbines.

turbine ；cavitation ；air supply mode ；stable operation