大藤峡水利枢纽水轮机运行稳定性分析及预防措施

陈晓彬，罗红云，陈 朝

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，537226,桂平）

轴流转桨式水轮机主要应用于低水头、大流量电站，在我国经济发达、地势落差小的中东部地区应用广泛。 因水轮机设计水平低、参数选择不当和制造精度差等原因，使得我国大量轴流转桨式水轮机技术指标落后、运行稳定性差、效率低、空蚀现象严重， 并且机组运行时常有动力失稳、叶片裂纹破坏甚至疲劳断裂等现象，严重威胁电站安全稳定运行。 近年大型轴流转桨式水轮机转轮高频发生裂纹现象。 为保证机组运行稳定，开展大藤峡水利枢纽水轮机运行安全稳定性研究十分重要。 结合轴流转桨式水轮机参数选择及水轮机设计方法，开展运行稳定性相关原因分析，并提出相应防范措施，有利于改善机组的综合性能、提高水能利用率和机组运行可靠性。

一、 大藤峡水利枢纽水轮机概况

大藤峡水利枢纽拥有国内最大单机容量200 MW 的轴流转桨式机组， 运行水头范围为10.07～37.79 m，水轮机转轮直径达10.42 m， 机组出力、水头变幅、转轮直径均为国内同类型机组最大。 单机容量的增大和水头变幅的提高，使得大藤峡水轮机设计制造难度为国内外之最。 另外，随着转轮直径的增大，流道中不稳定流的水力激振能量增加，流道部件的刚度等固有频率下降，影响水轮机稳定运行的问题愈发凸显。

水轮机的运行稳定性与水轮机设计、参数选择、运行工况、制造质量等密切相关，大藤峡水利枢纽根据流道、 水力特性参数和运行特点等，以已有的轴流式转轮FI053 作为基础转轮， 对流道和水力特性参数进行了CFD （Computational Fluid Dynamics）优化分析和水力设计，专门开发了运行可靠性高、空化性能优秀、高效率范围宽广且适合大藤峡水利枢纽水头段的FI076 转轮。

二、水轮机运行稳定性影响因素及分析

水轮机运行稳定性是指水轮机在非设计工况下，水轮机过流部件的压力脉动和由压力脉动诱发的振动及振动区域的大小程度，以及由机械方面的原因引起的振动程度、出力摆动的程度、水轮机的噪音等。 影响机组运行稳定性的因素有电磁、 机械、水力等，其中水力因素是影响水轮机运行稳定性的关键因素。

1.水轮机脱流

冲角变化在叶片进口处引起的表面脱流是水轮机的基本特性， 正冲角引发的脱流发生在叶片背面， 通常只有在偏离最优工况较远的工况下，正冲角引发的背面脱流才具有一定的危害性，但是可以通过水轮机的正确选型及运行区的合理选择来避免。 负冲角引发的脱流发生在叶片工作面，由于叶片工作面是高压力区，脱流发展受到极大抑制，很难产生有害的振动。 轴流转桨式水轮机是一种导叶和桨叶双调节水轮机，转轮运行于协联工况，使水轮机运行在效率最高点或接近于效率最高点，保证水轮机运行不收冲角引发的脱流影响。

2.水轮机磨损

空蚀是流道内局部水流速度增加、压力下降时形成的空穴在溃灭时对过流部件表面造成的损坏。 磨损是过流材料表面长时间受固体微粒切削产生质量体积减小的物理现象,常发生于多泥沙河流上的电站。 水轮机实际运行经验表明,空蚀、磨损的联合作用会使破坏加剧，通常将水轮机空蚀与磨损联合破坏称为水机空蚀磨损破坏，简称磨蚀。 在我国已投产的水电站中, 有相当一部分电站由于磨蚀破坏，机组效率下降、出力减小、振动加剧,不仅威胁水电站的安全运行,而且严重威胁电网的安全运行。

水的清洁度与水轮机的磨蚀成反比， 黔江流域泥沙含量少， 水质较好，水中杂质对水轮机过流部件的磨损轻微，大藤峡通过合理选择水轮机制造材料和设置补气装置，可降低水轮机的磨蚀对机组安全稳定运行的影响。

3.尾水管压力脉动

水轮机偏离最优工况运行时，受转轮出口处的旋转水流、脱流旋涡和空蚀等影响，尾水管内常伴有压力波动，在尾水管中心形成涡带。 尾水管涡带脉动频率一般为转频的几分之一, 当脉动频率与机组自振频率或厂房自振频率接近时， 就会产生共振，引起机组或厂房的剧烈振动。

尾水管涡带作用在管壁上的动水荷载相当复杂， 且由于形状特殊，理论上给研究诱发振动机理带来困难。 通常通过优化水轮机设计，避开机组共振区域和进行尾水管补气破坏涡带形成来减轻压力脉动影响。

4.水力不平衡

水力设计欠合理也会引起运行工况不稳定。 比如蜗壳支墩头部设计不能使水流均匀稳定地沿圆周方向进入导水机构；蜗壳包角小、固定导叶数量少会降低水流的均匀度和稳定程度，造成扰动的水动力引起周向水力不平衡；叶片翼型设计压力分布不合理，使叶片进、出口流动状况不佳； 叶片出口外缘厚度较薄有尖点，工作时发生颤动。 通常在水轮机设计过程中通过合理的参数选择和对过流部件进行优化设计来消除水力不平衡对机组安全稳定运行的影响。

5.卡门涡

流体流过一圆柱体或翼型(包括一般不良绕流体)时，雷诺数大于40，在物体尾部会产生一系列规则的、交叉排列的、方向不同的漩涡列，这些从物体尾部脱流出来的交替漩涡称为卡门涡。 当水轮机的导叶和桨叶具有钝尾时，就会出现卡门涡，卡门涡的频率与某些过流部件的固有频率接近时，会引起过流部件的共振。

大藤峡水利枢纽通过合理选择水轮机性能参数和优化机组的结构设计， 保证水轮机在正常连续运行区域内无有害的卡门涡， 机组可稳定运行。

三、水轮机运行稳定保证措施

影响水轮发电机组稳定运行的因素是多方面的， 运行不稳定的根本原因还没有可靠的理论依据。 就目前来看，在改善机组运行稳定性方面，可以采取以下措施：

1.选择合理的性能参数

合理选择水轮机性能参数是保证水轮机稳定运行的前提， 在选型设计过程中， 大藤峡公司注重水轮机各参数间的最佳匹配，不片面追求高效率和高比转速，把稳定性放在首位。 结合大藤峡工程实际和水力因素条件，通过多种水力计算和仿真模拟，对转轮叶片数、叶片形状、导叶高度及蜗壳尾水管等进行协调组合，选择最适合的水轮机参数，确保尽可能减小压力脉动、 有害卡门涡和不平衡受力，为水轮机稳定运行打下良好基础。

2.改善水轮机设计

合理的转轮选型设计能够有效改善转轮内的流态。 大藤峡公司通过优化转轮叶片、活动导叶和固定导叶的设计，使转轮叶片、活动导叶和固定导叶的自振频率避开机组激振频率，确保不会发生共振。 同时采用现代的优化理论对水轮机叶片的表面线型进行改型设计, 可提高水轮机的水力性能。例如,在叶片轮缘处加抗空化裙边,提高机组的抗空蚀性能，并在保证强度的条件下对出水边进行修型,降低叶片出水边卡门涡产生概率,提高机组运行稳定性。 为了防止转轮裂纹的产生，大藤峡水轮机在选型设计中还分析了转轮在每个工况下的受力特征、转轮在水中的动力特征及其机械性能等，对水轮机各个部件进行详细的刚度、强度分析，保证刚度、强度满足要求。 同时，为了保证水轮机选型设计和制造最佳，转轮设计制造过程中采用性能预估技术和动态特性分析技术，在设计阶段全方位掌握所设计水轮机的水力性能和动态特性,及时对设计作出修改和调整。

3.优化机组结构设计

为了减小或避免机组在启动、运行、 变负荷情况下的有害压力脉动、振动或共振，大藤峡公司对机组的结构设计进行了优化，并对机组进行专门的抗振设计。 通过在真机协联工况对应的模型工况下进行模型试验，计算得出真机所有协联运行区域的蜗壳进口、顶盖、尾水管锥管段、尾水管肘管段和尾水管扩散段进口双振幅的压力脉动和频谱，找出水流通道中可能出现的激振频率，通过优化机组的结构设计使机组部件固有频率与水力激振频率错开，避免共振。 提高部件的结构刚度，减小变形和振动。

4.合理安排机组运行方式

机组在性能优良的运行区域中运行，有利于机组和电力系统的安全经济。 目前各电站都在不断努力，力图通过运行实践，缩小禁运区，扩大稳定运行区， 更准确划分运行区域。大藤峡公司在机组调试及投产初期，将对整个机组运行特性曲线进行修正，精确机组稳定运行区，并在实际运行中合理调度，让机组避开不稳定运行区域， 尽量在高效率区运行，确保机组安全且又经济运行。

5.设置有效的补气措施

机组甩负荷时，为防止飞逸事故发生，损坏内部结构,需快速关闭导叶，但水流并不能随之快速降压，会根据惯性继续高速流动， 使尾水管内形成真空。由于尾水管周围结构内压强减小，在大气压的强烈作用下，已经流向下游的水会急速回涌， 反向撞击转轮和导叶，产生向上的冲击力，形成反水锤。 反水锤压力极大， 会使机组转动位置抬起，就是所谓的抬机。尾水管内反向水击导致的抬机现象，对水轮机机组危害是冲击性的。因为在设计和安装时水轮机的各项参数都基本固定，为保证机组安全稳定运行，防止抬机现象产生，大藤峡结合轴流转桨式机组特点，在水轮机支持盖上安装多个真空破坏阀,在导叶迅速关闭时,自动开启补气，增加尾水管内压力，消除或降低尾水回流能量从而避免抬机。 另外，分别在顶盖和尾水管锥管段预留一定数量的压缩空气补气孔和短管补气管,在机组投运后进行补气，改善水力状况，保证机组稳定运行。

6.优化水轮机流道

水轮机转轮设计中, 结构及流道理论上是对称的。 但由于实际加工制造及安装等多方面存在误差； 转轮密封结构和流道形状等不可能完全对称。 如果误差达到一定程度，就会产生不平衡力矩及水力不平衡,进而引发转轮及轴的横向振动、纵向振动及水压脉动,影响机组稳定运行。 合理确定流通部件尺寸对于保证水轮机运行稳定性、提高水轮机效率具有重要意义，同时优化流道尺寸能够减小厂房尺寸，节省土建工程投资。 T 形蜗壳在可以保证较高效率的同时，提高大流量、 高负荷工况下的水力效率。 大藤峡水轮机采用T 形蜗壳，并在满足机组控制尺寸条件下，对蜗壳进行了优化，采用227°包角，提高沿圆周方向水流的均匀性，同时采用椭圆断面弯肘形金属尾水管，扩散段带双支墩，保留大流量性能的同时提高转轮的最优效率和运行稳定要求。

7.提高制作、加工精度

大藤峡电厂对转轮叶片采用数控加工，减少叶片制造、加工中的型线误差，保证机组转动部件的加工精度，达到减小运行时的水力不平衡引起的振动，降低转轮和转子静平衡的残余不平衡力矩的作用。

四、结 语

综上所述，通过合理选择水轮机性能参数，优化水轮机结构及流道设计，设置有效的补气措施，提高水轮机制作、加工精度，并合理安排机组运行方式等措施, 是保证机组能安全稳定投产运行的有效预防措施。 ■