轴流转桨机组水力过渡过程中的轴向水推力研究

2011-04-23陈宏川陈云良鞠小明

水电站设计 2011年1期

陈宏川,施彬,陈云良,鞠小明

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072;2.四川大学,四川成都 610065)

1 前言

轴流转桨式机组在水力过渡过程中出现的抬机现象将直接危及电站的安全稳定运行,国内外都曾出现过因抬机而影响电站运行的事件。如正在运行的叙利亚迪什林水电站,装机 6×10.5万 kW,抬机严重,转轮叶片多处出现裂纹;国内的回龙寨、富春江、西津等水电站也发生过因抬机现象影响安全运行的事件。

2 轴流转桨机组轴向水推力计算模型

水流作用在转轮叶片上的作用力随水轮机工况的变化而变化。当水流绕流转轮叶片时,作用在一个叶片上的力为 P1(如图1所示),P1可分解为轴向力 Pz1和圆周力 Pu1,圆周力形成使转轮旋转的力矩M。轴向水推力一般应通过水轮机模型试验测定,并换算为单位轴向力。

若认为转桨式水轮机总水力作用于平均圆柱断面,该圆柱圆平分叶片外缘直径 D1与轮毂直径 dB之间的圆环面积。因瞬态力矩 M在过渡过程的每一时步是计算出的已知量,所以瞬态圆周力可由下式计算:

由于上式中的瞬态力矩 M是指全部叶片所受的力矩,因此圆周力也是指全部叶片上的圆周力。同样轴向水推力也是指整个转轮上受到的轴向水推力。

由于角度 θ是桨叶与水平面的瞬态夹角,故有:

由于缺乏轴向水推力的试验资料,计算时认为当瞬态桨叶转角 φ较大时,取 θ等于 φ,因此只要已知瞬态力矩、桨叶角度以及根据图纸推算出的 r,由式(2)即可计算出每一时步的瞬态轴向水推力 Pz1。

以上计算公式只适用于导叶关完前或导叶关完后且没有漏水时。由于水头不可能对力矩及轴向力产生影响,因此采用下式计算轴向水推力:

图1 转桨式水轮机转轮受力示意

式中 KTP、Kd——均为水推力系数;

n—— 瞬态转速;

D1—— 转轮直径;

HPD——尾水管进口压头。

KTP、Kd可以按照瞬态轴向水推力变化连续的原则,根据导叶关完前瞬间的轴向水推力反推得到。

3 计算实例

在嘉陵江草街水电站过渡过程计算中利用上述轴向水推力计算模型,分析了不同水位甩负荷工况导叶关闭、桨叶不同操作方式对机组轴向水推力的影响。

3.1 电站基本资料

根据设计布置图,草街水电站引水道长约31.38m,断面面积约 552～490m2,糙率取 0.014,局部水头损失系数按照引水系统布置确定。尾水管长度和直径根据设计图纸采用当量长度和当量直径计算。

电站基本参数如下:

3.2 水轮机模型特性

从相关试验资料来看,轴流转桨式水轮机单位轴向力随单位转速的变化规律与单位力矩相似,随着单位转速的增加,单位力矩和单位轴向力均减小,在单位飞逸转速时单位力矩为零,单位轴向力保持为正号,即顺着水流方向向下,若单位转速继续增加,则二者可能下降变为负号。图 2中给出了桨叶角度为 6°时二者的变化曲线,其中单位力矩由水轮机定桨特性曲线得到,轴向水推力根据本文给出的公式(1)～(3)计算得到。

3.3 计算结果及分析

图2 草街水电站水轮机单位力矩、单位轴向力特性(桨叶角度 6°)

上游水库为校核洪水位时,由于下游尾水位也高,电站发电水头低,机组不能满出力运行,调保计算主要针对水库正常蓄水位 203.00m进行。

选取上游为正常蓄水位,下游为正常尾水位、设计尾水位工况,计算一台机组丢弃满负荷,导叶、桨叶不保持协联关系的关机规律,桨叶关闭或开启的情况下轴向水推力变化值。计算工况如下:

(1)水库正常蓄水位 203.00m,正常尾水位181.19m,1台→0台,调节保证计算成果;

(2)水库正常蓄水位 203.00m,设计尾水位178.40m,1台→0台,调节保证计算成果。

采用若干导叶直线关闭规律,对不同桨叶运动规律进行计算,计算结果见表1～3。

从计算成果表来看,水库同为正常蓄水位203.00m时,尾水位低,即水头较高时最大轴向反推力相对较高,说明在高水头运行时发生抬机的危险性更大。轴流转桨式水轮机的抬机原因和影响因素是比较复杂的,机组轴向力变化和尾水管中的反水锤都可能是引起抬机的原因。对于反水锤,通常的认识是导水机构下游侧出现水柱分离,反向水流受到转轮阻挠,产生不同于常规水锤压力的断流弥合水锤。该弥合水锤压力大小与尾水位有关,尾水位越高,弥合水锤压力越大。由于对反水锤的研究涉及到空腔气穴的产生和溃灭问题,其机理尚处于研究探索阶段,本文不涉及尾水管中的反水锤计算,仅研究机组丢弃负荷后的轴向力变化。

表1 导叶关闭规律为 8s直线关闭的计算结果

表2 导叶关闭规律为 10s直线关闭的计算结果

表3 导叶关闭规律为 12s直线关闭的计算结果

对于不同的导叶直线关闭规律,随着导叶关闭时间的加长,机组甩负荷时最大转速上升会增大;而桨叶采用关闭或开启的不同操作方式对轴向反推力的影响更为明显,特别是导叶关闭时间较长、桨叶关闭时间较短时,轴向反推力显著增大。如表3中的第一个工况(导叶 12s关闭,桨叶 20s关闭),轴向反推力达 -16021.69kN,已远大于机组转动部分的总重量 10535kN(1075t),机组将发生严重抬机事故。因此,无论采用较长或较短的导叶关闭规律,机组甩负荷时都应该避免过快地桨叶关闭。

计算表明,轴向反推力均出现在机组最高转速之后,并且在导叶全关时达最大值,从理论上讲其值大致与此刻机组转速的平方成正比,而此时转速大小又决定于导叶与桨叶的关闭规律,因此采用合理的导叶、桨叶关闭规律是可以降低轴向反推力的。

轴向反推力的大小与其受压面积有关,桨叶关闭时间长的轴向反推力比桨叶关闭时间短的要小。计算表明,当桨叶以 20s直线关闭时将会出现较大的轴向反推力。因此在甩负荷的过渡过程中桨叶不能关得太快,否则可能会增大发生抬机事故的可能性。

在甩负荷的过渡过程中桨叶向打开方向运动,不仅使最大转速上升值下降,而且能使轴向反推力明显下降,可防止出现过大的轴向反推力引起抬机。因此从降速防抬机的角度分析,对草街水电站而言,在甩负荷过程中打开桨叶是十分有益的,但应重视开启时可能引起的机组振动,开启速度不宜过快。