大变幅\高水头\大容量贯流式水轮机稳定性分析

摘要：本文通过对两型灯泡贯流式机组选型，分析大变幅、高水头、大容量贯流式水轮机组在参数选择、应用水头、水力和结构方面对稳定性的影响。

关键词：大变幅 高水头 大容量 水轮机 贯流式 稳定性

中图分类号： TV136+.1 文献标识码： A

一、概述

大型河流的贯流式水电站一般规模巨大，单机容量大。为了追求更高的经济效益和发电量，贯流式水电站水头越来越高，水头变幅也越来越大。因此，水轮机运行稳定性、转轮水力设计和制造、发电机参数和结构等的设计和制造难度都较大，都必需进行大量的研究工作，特别是大变幅、高水头、大容量贯流式水轮机的稳定性问题更需重点研究。

二、稳定性说明

影响大型贯流式水轮机组稳定性的因素有参数选择、应用水头、水力方面、结构方面及运行方式等多个方面

1、参数选择

灯泡贯流式水轮机转轮直径的选择不同于常规机组，机组实际运行时，随着水头的变化，叶片的来流冲角不断变化，因此，对于每一个转轮，都只有狭窄的一条区域是水流冲角比较理想的运行区域。由于机组在额定水头以上运行的时间较长，因此，在转速的选择上应使其运行在高效率区，从而获得更多的电能。

转轮直径过大，将导致单位转速较高，偏离最优工况单位转速太远，妨碍水轮机在低水头下的运行；转轮直径太小，使用了较大的单位流量和较大的空化系数，又会导致在高水头大出力时空蚀状况恶化。综合以上因素，以及机组出力、效率等性能指标，应使水轮机的运行范围位于综合特性曲线的理想区域，为保证机组长期稳定运行奠定了良好的基础。

根据模拟电站的参数匹配情况，同时兼顾发电机方案的可行性等因素，选择了以下二个方案进行专题研究，具体参数如下表。

项目 单位 方案一 方案二

水轮机型号 GZA818a-WP-660 GZA818-WP-650

转轮公称直径D1 m 6600 6500

水轮机额定功率 MW 58.5 58.5

最大水头 m 28.0 28.0

加权平均水头 m 22.78 22.78

额定水头 m 18.0 18.0

最小水头 m 0.0 0.0

额定转速 r/min 100.0 107.1

飞逸转速(协联) r/min 256 260

飞逸转速(非协联) r/min 335 340

额定流量 m3/s ~354.8 ~357.9

额定点单位转速 r/min 155.56 164.08

额定点单位流量 m3/s 1.919 1.996

按空化要求计算的允许吸出高度 m -11.3 -12.3

正向水推力 t 930 900

反向水推力 t 930 900

桨叶数 枚 5 5

2、应用水头

灯泡贯流式水电站的水头变幅远远高于常规机组，电站的Hmax/Hmin 一般比值为3，有的甚至高达6。即使是额定水头相同，不同电站的最高水头和最小水头的离散性也不同。针对模拟电站的额定水头为18m 时，目前国内外最高水头用到24m，最小水头低值9m，选择发电运行时最小使用水头9m 左右。这样可以避免使用水头过低，偏离最优工况单位转速过高的不利影响，有利于机组的安全稳定运行。

3、水力方面

3.1 进口脱流

贯流转桨式水轮机是一种活动导叶和转轮叶片双调节式水轮机，转轮运行于协联工况，叶片进口冲角小，因此引起的脱流的危害也很小。定桨式水轮机或混流式水轮机的通性是最大的危险运行工况多发生于（40～60）％的水轮机额定负荷区域，所以，通过正确的水轮机选型及合理选择运行区，控制最高水头对应的单位转速不低于最优单位转速太远，以免在高水头进入背面空化脱流严重区域，避免进口脱流的影响。

3.2 出口涡带

贯流式水轮机定桨工况下的叶片出口涡带的变化是：在等单位转速下，在效率最大值所在开口左侧，当导叶开口从小到大变化时，涡带从无到有，从小到大，再逐步减弱到无，这个区域的涡带为正环量涡带，当开度再往大变化时，涡带又以新的形式重新生成。

各单位转速下的无涡带的各点构成了无涡线在叶片的中、小转角时，叶片的角度线基本重合于无涡线，这时，出口水流基本为法向出口，不产生压力脉动或产生压力脉动很小；大转角时叶片的角度线位于无涡线的右侧，但是偏离角度线的距离较近，因此，即使有涡带，也是很小的稳定型涡带，大开度下的稳定型小涡带不会产生危害运行的压力脉动。在协联工况运行时，贯流转桨式水轮机一般不会产生尾水管涡带，所以也不会发生涡带压力脉动引起的运行不稳定。

3.3 压力脉动

贯流式流道选择直轴式引水室以及直锥式尾水管，流道平直，水流平顺，其尾水管的流动特性和立轴机相比得到了很大的改善，水力损失较小。因此，尾水管流动性能的改善对于提高水轮机的稳定性无疑是很有利的。另外，贯流式水轮机一般是安装在平原河流上的超低水头电站，即使有脉动，其绝对值也很小，所以根本不会对水轮机的稳定运行产生影响。

3.4 空蚀影响

模型水轮机尺寸小，空蚀影响可忽略不计，但是真机转轮直径很大，空化系数的差别也随之增大，由于卧式机组仅当其叶片旋转至顶部位置时，才有可能发生空蚀，而在其它部位空蚀可能性较小。

选择不同的计算点，吸出高度HS会有较大的差异，在模拟电站运行条件时，通过适当降低水轮机的安装高程，选择宽敞的过流通道，在满足强度要求的条件下，尽量选择较小的轮毂比，得到较大的单位流量、较低的转轮出口相对流速，从而减少表面空蚀。

4、结构方面

从机组设计制造角度来看，难度主要表现为工艺上如主要部件热处理、机加工等保证措施难度增加。若从运行稳定性考虑，由于刚强度和受力条件的变化，在大机组上表现出来，如水轮机结构件支撑刚度下降，固有频率易与激振频率接近，产生共振的危险也随之增加了。随着水轮机刚强度仿真技术的不断进步，可以比较准确的确定水轮机各个部件刚强度。因此，早年在机组运行后才能发现的许多刚强度问题，现在在设计阶段就可以预测和解决。

因此，伴随着结构设计、强度计算等综合设计能力的提高，适当降低机组制造难度，可以确保大变幅、高水头、大容量贯流式水轮机机组安全可靠地运行。

5、运行方式

对国内灯泡贯流式电站的调查表明，已建或者在建的电站，同一电站，无论机组台数多少和水头变化范围多大，所有机组可以采用相同的通道和转轮，也可以选择不同叶片数转轮，或者转速参数不同的同一转轮方案组合，来充分利用水能、改善机组运行工况、降低机组制造成本以及分散投资风险。因此选择适合的水轮机参数和机型以及合理的运行范围就显得十分重要了。

通过对模拟电站的水头、装机容量以及模型转轮的性能情况综合考虑，选择相同通道和相同转轮，水轮机转轮运行范围位于综合特性曲线的理想区域，为保证机组长期稳定运行奠定了良好的基础。即使如此，为了机组能够长期稳定运行尽量避免或少量运行在偏离最优工况单位转速的低水头运行；在高水头、大单位流量、大出力时控制设计流量运行，以免空蚀状况恶化。

同时为了避免水质对水轮机运行的影响，以损失少量的电量来避免严重的磨损，特别是暴涨暴落的径流电站，含沙量变化很大，应当采用停机避沙峰运行方式，关键部件必须定期检查，并将检查结果与设计允许值比较，保证机组稳定运行。

综上所述，灯泡式贯流机组转轮桨叶与导叶协联关系好、结构刚强度大，流道平直，因此运行稳定、机组振动与摆度值小，运行噪音低。可以说贯流式水轮机是一种稳定性很好的机型，很多装有贯流式水轮机的电站机组，安全运行几十年，也证明了贯流式水轮机具有较好的稳定性。

三、结论

在模拟电站最大水头小于28m 时，选择方案1，可降低最小发电水头，提高汛期发电量，但是综合考虑水轮机性能、电站挖掘、运输、整体机组制造和造价等综合因素，最终推荐方案2，即最大水头28m，额定水头18.0m，额定转速为107.1.r/min 方案，此方案水轮机参数先进合理，由于转速的提高，发电机制造难度降低，为电站稳定运行奠定了良好的基础。