田灣河流域水電站沖擊式水輪機應用

王　容

(四川川投田灣河開發有限責任公司，四川 成都　610213)

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田灣河流域水電站沖擊式水輪機應用

王容

(四川川投田灣河開發有限責任公司，四川 成都610213)

摘要：田灣河流域梯級水電站六臺機組自投產以來，常發生轉輪氣蝕磨損嚴重、調速器折向器蝶簧斷裂損壞、調速器噴針反饋鏈條斷裂等故障。針對上述問題，多次組織專業技術人員進行技術分析以及現場試驗論證，最終使上述問題得到了解決。

關鍵詞：田灣河流域水電站；沖擊式機組；水輪機；應用

1概述

水輪機是一種將河流中蘊藏的水能轉換成旋轉機械能的原動機。水流流過水輪機時，通過主軸帶動發電機將旋轉機械能轉化成電能，水輪機與發電機連接成的整體稱為水輪發電機組，它是水電站的主要設備之一。

沖擊式水輪機將水流能量轉換為高速水流的動能，再將其轉換為機械能，工作時轉輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已經轉變為高速射流，沖擊轉輪葉片作功。

沖擊式水輪機主要適用于高水頭、小流量的水電站，又可分為：水斗式、斜擊式、雙擊式。

斜擊、雙擊式水輪機構造簡單，效率低，主要用于小型水電站 。

目前，水斗式水輪機是沖擊式水輪機中應用最廣泛的一種機型，其應用 水 頭 一 般 為 300～

2 000 m，目前最高應用水頭已達到1 771.3 m(澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機出力P=22.8 MW)。

2田灣河流域水電站沖擊式水輪機的組成

田灣河公司所轄三站六臺機組均為沖擊式機組，三站均采用奧地利維奧公司生產的六噴六折調速器。金窩水電站140 MW 沖擊式水輪機是目前國內乃至亞洲單機容量最大的沖擊式水輪機，其運行最高效率達91.58%，為世界領先水平。

田灣河沖擊式水輪機主要由轉輪、噴嘴機構以及附屬的折向器、擋水板、配水環管、機殼、穩水柵等組成。轉輪主要由輪盤及水斗組成，水斗共21個，沿輪盤均勻分布。

噴嘴機構由噴管體、噴針、噴嘴和噴針操作機構組成。噴嘴是沖擊式水輪機的導水部分，由壓力鋼管引來的水經過噴嘴形成高速射流，以最優方向射向斗葉并保證其水力損失最小。通過調節噴嘴內的噴針來調節射流的流量，改變水輪機的出力。

折向器是沖擊式機組防止飛逸的有力保障，折向器安裝在噴嘴附近的固定鉸軸上，由噴嘴的控制機構通過協聯操作機構控制。由于沖擊式機組水頭較高，壓力鋼管較長，當機組甩負荷時，由于壓力鋼管水擊壓強升高限制，不允許噴嘴和進水球閥在短時間內關閉，而較長的關閉時間將使機組轉速升高甚至飛逸。折向器的主要作用便是在短時間內使射流偏流不射向水斗從而有效地防止了機組飛逸。

各噴嘴和折向器之間沒有杠桿聯系，全部由油壓直接控制。每個噴管均設有一個折向器，其采用油壓開啟、彈簧關閉。折向器在正常運行時不和射流接觸，動作時在4 s內偏轉全部水流，緊急停機時迅速關閉折向器。噴嘴與折向器之間的關系見圖1。

擋水板設置在噴嘴上，由螺栓和噴嘴機構連接。水流經噴嘴變成射流，以一定方向沖擊轉輪而使轉輪旋轉完成能量轉換，大部分水流進入尾水，但部分水流經過水斗后變成雜散水流對噴嘴機構造成沖擊，影響噴針及噴嘴的正常運行。設置擋水板的目的是改變雜散水流的方向，保護噴嘴機構。

圖1　噴嘴與折向器關系示意圖

穩水柵(平水柵)安裝在機殼內、尾水之上，其主要作用是穩定轉輪流出的水流且在檢修時起支架的作用，避免沖刷尾水渠。

3田灣河流域水電站沖擊式水輪機應用現狀

從2007年11月大發水電站首臺機組發電至今，田灣河流域水電站沖擊式水輪機在實際使用中總體良好，但也出現了一些重大缺陷，公司對這些缺陷進行了有效處理及設備改造，進而優化了設備工況。主要實例如下。

(1)三站機組轉輪氣蝕、磨損較嚴重。轉輪氣蝕及泥沙磨損過大時會造成轉輪(水斗)機械強度下降，易發生機械事故，同時導致水輪機工作效率下降(圖2)。

圖2　氣蝕后的水斗

針對水輪機轉輪氣蝕、磨損嚴重這一現狀，我公司組織專業技術人員多次進行技術分析以及現場試驗論證，所得出的結論是由于沖擊式機組水頭較高，加之河道取水泥沙較重，攜帶泥沙高射流沖擊水斗致使水斗磨損嚴重。過流表面局部水體流速增高、壓力降低汽化而產生氣泡，氣泡的形成、發展、潰裂及對過流表面產生的物理作用使得水斗氣蝕嚴重。我公司技術人員經多次與廠家技術人員溝通、分析，最終廠家技術人員對水斗斗葉線型進行了局部修整，使斗葉氣蝕得到了有效改善。在機組的運行過程中，要求運行人員盡量不取夾雜泥沙較重的水、增加引水明渠的沖沙次數以使水質得到改善，從而減緩了轉輪的磨損程度。通過這些措施，大大提高了轉輪的使用壽命，確保了機組的高效出力。

(2)噴嘴口環和噴針頭均出現缺口。針對該項缺陷，公司專業技術人員討論分析得出的主要結論是：噴嘴口環和噴針頭受到射流中泥沙的高速沖刷影響，破壞了噴針頭及口環的耐磨層后，口環、噴針頭磨損加劇以至出現缺口。采取的措施是：首先改善水質，盡量不取夾雜泥沙較重的水，增加引水明渠的沖沙次數以達到改善水質的目的；其次，對被破壞的噴針頭和口環及時進行噴涂處理，防止缺陷惡化，出現缺口現象。

(3)噴針、折向器的蝶形彈簧均出現了斷裂現象(圖3)。

圖3　斷裂損壞后的折向器蝶簧

對于折向器蝶形彈簧斷裂現象，公司組織專題討論、分析，得出的結論為：由于碟簧材質的含碳量過高，以及單塊碟簧壓縮行程偏大，在這兩項因素的綜合影響下致使碟簧縮短了有效壽命。為了徹底解決此項缺陷，經與廠家技術人員研討并

最終一致認為應對蝶形彈簧進行改造。在保證碟簧彈性力不變的前提下，選用含碳量低、單片行程略小的蝶形彈簧，將碟簧數量由原有的24對改為30對，經過大發水電站一臺機的實驗，在其運行兩年后折向器動作正常，碟簧未再出現斷裂現象?，F公司正對余下的機組進行逐臺改造。

4結語

針對上述存在的問題，有的已通過技術改造、優化處理得到解決；有的雖暫未解決，但也已聯系廠家，同時加強了對相關數據的測量、對比和跟蹤分析，伺機解決。

關于四川水力發電科學技術獎勵的通知

各有關單位：

根據《四川水力發電科學技術獎勵辦法》(試行)的規定，經四川水力發電科學技術獎勵委員會的審核批準，決定對2015四川水力發電科學技術獎獲獎項目(共18項)給予獎勵并通報表揚。

現將四川水力發電科學技術獎獎勵通報印發給你們，請認真做好獲獎項目的推廣應用工作，使科技成果在水力發電生產建設中進一步發揮作用，取得更顯著的效益。

附件：2015四川水力發電科學技術獎授獎項目

二〇一六年一月七日

王容(1979-)，女，四川大竹人，工程師，從事水電站運行技術與管理工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0093-02

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；[TV734.1]

收稿日期:2015-11-10