補氣方式對水輪機穩定運行的影響

李奎生，馮艷蓉

（1.國網新源豐滿培訓中心，吉林省吉林市 132108；2.豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108）

補氣方式對水輪機穩定運行的影響

李奎生1，馮艷蓉2

（1.國網新源豐滿培訓中心，吉林省吉林市 132108；2.豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108）

效率、空蝕和穩定性是水輪機水力性能的三大主要指標，補氣對水輪機消除振動和穩定運行、改善空蝕性能和提高效率都有直接影響。本文通過不同水輪機采用不同的補氣方式及使用效果進行了詳細的分析，供類似型式水輪機的電廠借鑒和參考。

水輪機；空蝕； 補氣方式； 穩定運行

1 概述

效率、空蝕和穩定性是水輪機水力性能的三大主要指標，轉輪的效率和空蝕特性易體現在經濟指標上，在水電站設計上往往比較重視。穩定性雖關系到機組能否正常運行，但很難用經濟指標衡量，以往在選型設計中往往被忽視。

水輪機水力穩定性問題比較復雜，在水電站中的表現形式也是多種多樣，如部分負荷時出現尾水管蝸帶引起的壓力脈動，固定導葉后或轉輪葉片后出現卡門渦、葉道渦引發水力振動，導葉與葉片數不匹配引發頻率數的壓力脈動，轉輪迷宮環間隙引發水力振動或自激振動；葉片動態應力過高引發振動或葉片裂紋，壓力鋼管或蝸殼水壓脈動引發水力共振等，因水輪機穩定性問題關系到機組能否正常運行，該問題已經引起行業的普遍關注。

長期以來，豐滿發電廠工程技術人員對混流式水輪機水力不穩定問題，進行了深入研究，陸續發現，除了尾水管渦帶外，混流式水輪機還存在一系列不穩定問題。如機組振動超標、轉輪葉片裂紋、尾水管鋼襯撕裂、水力自激振動、轉輪葉片空蝕等問題，嚴重威脅水電機組長期安全穩定運行。

補氣對水輪機消除振動和穩定運行、改善空蝕性能和提高效率都有直接影響。主軸中心補氣、尾水管內十字架補氣和頂蓋補氣，這三種補氣方式都靠真空吸力補氣。豐滿發電廠從半個世紀的運行經驗中體會到，水輪機補氣對機組的穩定運行影響較大，由于水輪機部分結構及轉輪型號的不同，其補氣效果也各不相同，因而，要求根據其結構的具體情況，確定合理的補氣方式，勢必促進水輪機長期安全穩定運行。現將該廠機組的補氣情況及效果介紹如下：

2 水輪機補氣方式及效果

豐滿發電廠共有12臺水輪發電機組、6種水輪機型號，水輪機補氣方式有主軸中心孔補氣、十字架補氣、短管補氣、頂蓋補氣、葉片補氣四種，水輪機的補氣方式及效果詳見表1。

2.1 水輪機頂蓋補氣（一號機）

一號水輪機主軸為實心軸，水輪機補氣方式為頂蓋補氣（見圖1）。它是由主廠房外引入一根補氣管，通過一個φ250mm的彈簧式空氣閥，經水輪機頂蓋把空氣引到法蘭保護罩上方的空腔部位，然后通過14個法蘭結合螺栓的φ45mm的中心孔進入泄水錐，實現軸中心補氣。實際運行表明，這種補氣方式對一號水輪機的補氣量最大可達1.5～1.8m3/s，補氣尚有一定好的效果。

表1 機組補氣情況統計表

現對一號水輪機在自由補氣、適量補氣與不補氣三種狀況下的試驗結果分析如下：

（1）機組相對效率的影響分析（見圖2）。以機組所帶負荷30MW為分界線，低于此負荷，自由補氣可提高機組效率；高于此負荷，自由補氣對機組效率無明顯影響，但當機組所帶負荷在60MW及以上時，機組相對效率明顯下降（約1.5%）。

（2）從對機組振動的影響分析（見圖3），機組所帶負荷小于30MW時，補氣減小了振動幅值；在30～50MW，由于補氣量反而減?。ㄒ妶D4），因而使機組振動有所增加；60MW以上補氣對振動基本無影響。

圖1 一號水輪機頂蓋補氣結構圖

圖2 一號水輪機補氣對相對效率的影響

圖3 一號水輪機補氣對振動的影響

圖4 一號機組軸中心補氣量曲線

（3）對水輪機轉輪葉片及尾水管的影響。因原來設計的軸中心補氣，機組在運行中補氣的噪聲大，故人為地關閉了補氣閥，在接下來的機組大修中發現水輪機轉輪葉片的空蝕較嚴重，尾水管鋼襯大面積脫落，通過改進補氣閥的結構，消除了補氣閥的噪聲，機組恢復正常補氣運行。由于一號水輪機的頂蓋補氣效果較好，對減輕轉輪空蝕強度有一定作用；尾水管里襯脫落修復后，一直運行至今，沒有再次出現尾水管里襯脫落問題。

2.2 轉輪葉片補氣（七號機）

七號（蘇聯）水輪機轉輪，由于葉型設計得不合理，轉輪葉片的空蝕、裂紋等重大缺陷不斷發生。為了解決這一問題，1978年12月，七號機組擴大性大修中，在轉輪葉片空蝕、裂紋嚴重的十號機葉片出口邊的背面，埋設補氣管（見圖5），以減輕轉輪葉片的空蝕及裂紋。

圖5 補氣管布置示意圖及補氣管在空蝕區布置圖

七號機組當運行至1992年6月，機組大修時發現轉輪7個葉片出現裂紋，最長的約500mm，裂紋錯位約13mm。嚴重威脅機組安全穩定運行。該轉輪埋設補氣管的葉片，不僅沒有裂紋，而且葉片空蝕非常輕。

2.3 水輪機主軸中心孔補氣（3、4、5、7、8、9、10號機）

八號水輪機為蘇制，為了解決補氣裝置引起主廠房的噪聲增大等問題。對原軸中心補氣裝置進行了改進（見圖6）。

圖6 水輪機軸中心補氣系統圖

圖7 八號水輪機補氣試驗成果曲線

軸中心補氣用原有的由主廠房外引入的補氣管，進入一個利用下部走臺而構成密閉空氣室，經水輪機軸上法蘭四個擴大至φ50mm的徑向孔而進入軸中心孔，徑向孔口安設了四個微力彈簧逆止閥，取消了軸中心孔下端的木心橡膠球逆止閥，為了使由軸中心孔下泄的氣流不被經法蘭結合螺栓中心孔下泄水流所阻礙，在泄水錐內設有圓筒形隔水板，并在泄水錐下方裝設了一個多孔的柵板，以使氣流能較均勻地下泄。

這種軸中心新補氣方式，在八號機組上進行了補氣與不補氣兩種狀態下的振動與補氣量的試驗，試驗成果見圖7。從圖7中可以看出：

（1）八號機補氣量較為合適，最大約為0.4～0.7m3/s。

（2）在機組負荷低于60MW時，補氣對機組振動均有明顯效果，負荷高于60MW時，補氣對機組振動基本無影響。

經過多年運行的實際考驗，水輪機補氣效果良好，不僅從根本上解決了水輪機在運行水輪機法蘭竄水問題，而且減小了發電機主廠房補氣的噪聲，改善了環境。

九、十號水輪機轉輪與鹽灘水電站機組同型號，同樣采取這種水輪機主軸中心孔補氣方式，這兩臺機組經過近20年的運行，沒有出現轉輪葉片裂紋、空蝕及機組振動嚴重超標問題，機組運行情況良好。

圖8 尾水管十字架補氣裝置簡圖

1997年對4號機組進行了現代化增容改造，更新了水輪機轉輪，取消了原十字架補氣系統，增設了主軸中心孔補氣系統（同七、八號機），經過現場試驗的結果表明，改造前較大的補氣噪聲已經消失，機組運行穩定性好，在全負荷范圍內機組的振動很小。

十一、十二號機組。這兩臺機組選用主軸中心孔補氣和短管補氣兩種方式，空氣有發電機主軸上部經軸端逆止閥、主軸中心孔進入尾水管。當機組在運行補氣時，廠房內的噪聲較大，機組投入運行初期曾經常出現發電機軸上端部竄水問題，現已經徹底解決。

2.4 十字架補氣（二、六號機）

通過對水輪機尾水管內徑向水流壓力脈動的試驗成果表明，壓力脈動幅值呈現較大的區域在（1/3～2/3）D的范圍內。而采用軸中心補氣，很難將空氣有效地補到這個區域。為了彌補軸中心補氣方式的不足，自1964年以來，分別于二、六號尾水管進口裝設了十字架補氣裝置，其結構見圖8。它利用了設備原有的由主廠房外引至水輪機基礎環外空腔的補氣通道，將十字架的四根補氣管與均布于基礎環的四孔相連接，為防止機組調相壓水時由此向外排壓縮空氣，在孔口設有逆止閥，補氣管兩端為雙層管結構，以增加其強度，十字架中心為一雙層中空的圓錐形結構，其外徑尺寸應與泄水錐形狀相吻合，補氣位置有兩處，一是通過兩根補氣管向中心圓筒供氣，以實現向尾水管中心補氣；另一是通過另外兩根補氣管，在其管中間部位各安設有6×φ40mm的補氣管，向尾水管1/2D處補氣。

圖9 六號機十字架補氣對機組振動的影響

通過對六號機組進行的尾水管十字架補氣試驗成果示見圖9中，從中可以看出：

六號機組的補氣效果較好。尾水管不補氣時，導葉開度在a0=20%～50%，出現尾水管壓力脈動，a0=40%工況下，壓力脈動幅值為最大。補氣后效果十分顯著，除a0=40%時仍有較小的壓力脈動外，其余工況已消除了尾水管的壓力脈動，但壓力有所增加。當機組導葉開度在a0=60%以上時，尾水管內水流基本上已不出現壓力脈動，因此，補氣也就沒有多大作用了。補氣后機組振動較小，使機組運行更趨于穩定。

3 結論

（1） 該廠現有三種軸中心補氣方式和一種尾水管十字架補氣方式。試驗表明均能自由補氣，最大補氣量可達1.5m3/s。運行實踐證明，這種尾水管十字架補氣裝置運行良好，六號機組尾水管十字架補氣裝置至今已運行近50年之久，除局部地點有輕微的空蝕破壞外，基本完好。

（2）該廠現有三種軸中心補氣方式，八號機組所采用的軸中心新補氣方式優于一號機組的軸中心補氣方式。這種補氣方式的優點還在于能連續補氣、廠內無補氣噪聲，且給自動調節補氣量創造了條件。十一、十二號機組軸中心孔補氣，當機組運行時，補氣噪聲較大。

（3）尾水管十字架補氣裝置在二種不同型號的轉輪下試驗結果表明，瑞士轉輪十字架補氣效果最好，蘇聯的PO631轉輪效果不好。估計其主要原因是因為不同型號的轉輪，其出流情況也各不相同，當水輪機帶部分負荷而出現尾水管壓力脈動時，其渦帶的形狀與運動方式也各有差異，因而能否找到其合理的補氣裝置，對其補氣效果的好壞起決定性的作用。

（4）混流式水輪機裝設必要的自然補氣系統，輸入能夠滿足穩定機組運行的必要補氣量，是保證機組安全、穩定的必要措施，但是過量的補氣會造成機組效率下降，因此應該開發按需自動控制的補氣系統，通過優化補氣調整振動、空蝕、效率三者關系，使機組運行在最佳狀態。

[1]王玲花.水輪發電機組振動及分析.GIP.鄭州：黃河水利出版社，2011.

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李奎生（1963—），男，本科學歷，高級講師，長期從事水電運行仿真開發與培訓。E-mail: lksheng2345678@sohu.com

馮艷蓉（1964—），女，研究生，教授級高工，從事水電機組維護、檢修及技術改造。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