軸流轉槳機組水力過渡過程中的軸向水推力研究

陳宏川,施 彬,陳云良,鞠小明

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072;2.四川大學,四川 成都 610065)

1 前 言

軸流轉槳式機組在水力過渡過程中出現的抬機現象將直接危及電站的安全穩定運行,國內外都曾出現過因抬機而影響電站運行的事件。如正在運行的敘利亞迪什林水電站,裝機 6×10.5萬 kW,抬機嚴重,轉輪葉片多處出現裂紋;國內的回龍寨、富春江、西津等水電站也發生過因抬機現象影響安全運行的事件。

2 軸流轉槳機組軸向水推力計算模型

水流作用在轉輪葉片上的作用力隨水輪機工況的變化而變化。當水流繞流轉輪葉片時,作用在一個葉片上的力為 P1(如圖1所示),P1可分解為軸向力 Pz1和圓周力 Pu1,圓周力形成使轉輪旋轉的力矩M。軸向水推力一般應通過水輪機模型試驗測定,并換算為單位軸向力。

若認為轉槳式水輪機總水力作用于平均圓柱斷面,該圓柱圓平分葉片外緣直徑 D1與輪轂直徑 dB之間的圓環面積。因瞬態力矩 M在過渡過程的每一時步是計算出的已知量,所以瞬態圓周力可由下式計算:

由于上式中的瞬態力矩 M是指全部葉片所受的力矩,因此圓周力也是指全部葉片上的圓周力。同樣軸向水推力也是指整個轉輪上受到的軸向水推力。

由于角度 θ是槳葉與水平面的瞬態夾角,故有:

由于缺乏軸向水推力的試驗資料,計算時認為當瞬態槳葉轉角 φ較大時,取 θ等于 φ,因此只要已知瞬態力矩、槳葉角度以及根據圖紙推算出的 r,由式(2)即可計算出每一時步的瞬態軸向水推力 Pz1。

以上計算公式只適用于導葉關完前或導葉關完后且沒有漏水時。由于水頭不可能對力矩及軸向力產生影響,因此采用下式計算軸向水推力:

圖1 轉槳式水輪機轉輪受力示意

式中 KTP、Kd——均為水推力系數;

n—— 瞬態轉速;

D1—— 轉輪直徑;

HPD——尾水管進口壓頭。

KTP、Kd可以按照瞬態軸向水推力變化連續的原則,根據導葉關完前瞬間的軸向水推力反推得到。

3 計算實例

在嘉陵江草街水電站過渡過程計算中利用上述軸向水推力計算模型,分析了不同水位甩負荷工況導葉關閉、槳葉不同操作方式對機組軸向水推力的影響。

3.1 電站基本資料

根據設計布置圖,草街水電站引水道長約31.38m,斷面面積約 552～490m2,糙率取 0.014,局部水頭損失系數按照引水系統布置確定。尾水管長度和直徑根據設計圖紙采用當量長度和當量直徑計算。

電站基本參數如下:

3.2 水輪機模型特性

從相關試驗資料來看,軸流轉槳式水輪機單位軸向力隨單位轉速的變化規律與單位力矩相似,隨著單位轉速的增加,單位力矩和單位軸向力均減小,在單位飛逸轉速時單位力矩為零,單位軸向力保持為正號,即順著水流方向向下,若單位轉速繼續增加,則二者可能下降變為負號。圖 2中給出了槳葉角度為 6°時二者的變化曲線,其中單位力矩由水輪機定槳特性曲線得到,軸向水推力根據本文給出的公式(1)～(3)計算得到。

3.3 計算結果及分析

圖2 草街水電站水輪機單位力矩、單位軸向力特性(槳葉角度 6°)

上游水庫為校核洪水位時,由于下游尾水位也高,電站發電水頭低,機組不能滿出力運行,調保計算主要針對水庫正常蓄水位 203.00m進行。

選取上游為正常蓄水位,下游為正常尾水位、設計尾水位工況,計算一臺機組丟棄滿負荷,導葉、槳葉不保持協聯關系的關機規律,槳葉關閉或開啟的情況下軸向水推力變化值。計算工況如下:

(1)水庫正常蓄水位 203.00m,正常尾水位181.19m,1臺→0臺,調節保證計算成果;

(2)水庫正常蓄水位 203.00m,設計尾水位178.40m,1臺→0臺,調節保證計算成果。

采用若干導葉直線關閉規律,對不同槳葉運動規律進行計算,計算結果見表1～3。

從計算成果表來看,水庫同為正常蓄水位203.00m時,尾水位低,即水頭較高時最大軸向反推力相對較高,說明在高水頭運行時發生抬機的危險性更大。軸流轉槳式水輪機的抬機原因和影響因素是比較復雜的,機組軸向力變化和尾水管中的反水錘都可能是引起抬機的原因。對于反水錘,通常的認識是導水機構下游側出現水柱分離,反向水流受到轉輪阻撓,產生不同于常規水錘壓力的斷流彌合水錘。該彌合水錘壓力大小與尾水位有關,尾水位越高,彌合水錘壓力越大。由于對反水錘的研究涉及到空腔氣穴的產生和潰滅問題,其機理尚處于研究探索階段,本文不涉及尾水管中的反水錘計算,僅研究機組丟棄負荷后的軸向力變化。

表1 導葉關閉規律為 8s直線關閉的計算結果

表2 導葉關閉規律為 10s直線關閉的計算結果

表3 導葉關閉規律為 12s直線關閉的計算結果

對于不同的導葉直線關閉規律,隨著導葉關閉時間的加長,機組甩負荷時最大轉速上升會增大;而槳葉采用關閉或開啟的不同操作方式對軸向反推力的影響更為明顯,特別是導葉關閉時間較長、槳葉關閉時間較短時,軸向反推力顯著增大。如表3中的第一個工況(導葉 12s關閉,槳葉 20s關閉),軸向反推力達 -16021.69kN,已遠大于機組轉動部分的總重量 10535kN(1075t),機組將發生嚴重抬機事故。因此,無論采用較長或較短的導葉關閉規律,機組甩負荷時都應該避免過快地槳葉關閉。

計算表明,軸向反推力均出現在機組最高轉速之后,并且在導葉全關時達最大值,從理論上講其值大致與此刻機組轉速的平方成正比,而此時轉速大小又決定于導葉與槳葉的關閉規律,因此采用合理的導葉、槳葉關閉規律是可以降低軸向反推力的。

軸向反推力的大小與其受壓面積有關,槳葉關閉時間長的軸向反推力比槳葉關閉時間短的要小。計算表明,當槳葉以 20s直線關閉時將會出現較大的軸向反推力。因此在甩負荷的過渡過程中槳葉不能關得太快,否則可能會增大發生抬機事故的可能性。

在甩負荷的過渡過程中槳葉向打開方向運動,不僅使最大轉速上升值下降,而且能使軸向反推力明顯下降,可防止出現過大的軸向反推力引起抬機。因此從降速防抬機的角度分析,對草街水電站而言,在甩負荷過程中打開槳葉是十分有益的,但應重視開啟時可能引起的機組振動,開啟速度不宜過快。

4 結 論

本文推導了軸流轉槳機組軸向水推力計算模型,并應用于草街水電站的水力過渡過程計算中,結果表明:

(1)在甩負荷過程中,導葉關閉同時槳葉關閉時間長的軸向反推力比槳葉關閉時間短的要小,因此在甩負荷的過渡過程中槳葉不能關得太快,否則會增大發生抬機事故的可能性。

(2)在甩負荷過程中,導葉關閉的同時打開槳葉是十分有益的,但應重視開啟時是否會引起機組振動的問題,開啟速度不宜過快。

(3)在機組實際運行時,結合導葉兩段關閉規律,選擇合理的槳葉開啟規律,可以進一步減小機組甩負荷時的最高轉速和軸向反推力。

[1]水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊 -水力機械[M].北京:水利電力出版社,1983.

[2]E B懷利,V L斯特里特.瞬變流[M].北京:水利電力出版社,1983.