水力机组甩负荷时基于根治抬机目标的转轮室水体运动控制探索

电力18讯：    1．前言

水轮发电机组甩负荷后，为防止出现超临界转速要求导水叶快速关闭，造成过水流量急剧下降导致转轮室-尾水管段产生水击，反向水推力大于机组转动部分重量时发生抬机，抬机下落碰撞产生冲击应力应变，对机组结构具有破坏力，须予以治理。传统治抬措施存在原理性缺陷，但可总结得失并借鉴创新。抬机的根本症结是转轮室水击，我们要探索机组甩负荷后转轮室水体会怎样运动；探索这一水体运动如何得到控制；探索如何时刻维持转轮室与甩负荷前稳定流状态一致；探索如何建立气阻消除转轮室-尾水管段水击，使机组甩负荷抬机得到根本治理。研究与控制水力机组甩负荷时转轮室水体运动形成科学治理抬机措施对保证水力机组设备安全、延长其发电寿命、提供更多优质电能具有重要意义。

水力机组超临界转速又称为最大允许飞逸转速，其值ncr=30/π×{GJp(J1＋J2）/LJ1J2}1/2(rpm),式中G为轴的扭转弹性系数、Jp为轴的极惯性矩=π/32×{外径4－内径4}、J1为转轮惯性矩=（轴流）{转轮体重量×转轮体重心半径2＋叶片重量×叶片重心半径2}/g、J2为转子惯性矩=G2D22/2g、L为机组主轴的换算长度。

2．立论依据

18世纪中叶，由伯努力、欧拉等科学家从数学、力学的角度进行研究，形成了“水动力学”的系统理论；而牛顿、纳维、斯托克斯等科学家为流体方程添加了液体的粘滞力；而今我国有工程实践人员[1]证实特定条件下空气阻碍水流运动甚于水的粘滞力，事实上，我国水力发电运行实践中早就发现在不同位置适度“补气”分别有利于减轻翼型与空腔汽蚀、有利于减缓机组振动、有利于防治水力机组抬机。

材料力学理论与实践证明：冲击过程中，冲击物所减少的动能ΔT和势能ΔV之和应等于被冲击物所增加的弹性应变能ΔE，而且作用与反作用同时存在，冲击应变会朝冲击应力方向传递，遇薄弱断面时如超允许应力应变就会发生结构破坏。水力机组甩负荷抬机后，下落过程中镜板将撞击推力瓦而产生冲击应力应变，传递至主轴卡环凹处时结构极易破坏，治理水轮机组甩负荷抬机具有十分必要性。

而水力机组甩负荷抬机的发生源于导水叶快速关闭进程中转轮室-尾水管段产生水击，反向水推力大于机组转动部分重量时发生抬机。这一点，原来认识受前苏联影响较多，我国该类设计手册[2]和教科书[3]不定量描述为：导叶关闭时，原已在转轮室的水流在惯性作用下继续向尾水管出口流动，出现真空现象，又倒流形成反水锤。基于这种理念产生了有原理性缺陷的传统治理抬机的措施[4]：即强迫式真空破坏阀（进气位置处顶盖下转轮室四周压力较高区，能进气量很小）、自吸式真空破坏阀（动作时已形成大真空度，水击波在0.05～0.1秒后返回，入气位置虽佳仍进气极少）、两段关闭导水叶法（解决压力钢管水压上升与机组转速上升矛盾同时兼顾治理抬机亦不能消除转轮室-尾水管段水击，对有些机组有些效果[5]对葛洲坝等无效[6]）。过去在压力钢管段较好地应用了水击波理论，而小视了短而粗的转轮室-尾水管段发生水击，事实上尾水管水击也可产生巨大破坏力。水力机组甩负荷抬机轻则减短设备寿命、重则破坏机组结构，危害严重，文献[7]中指出了四个案例。此外抬机的危害性还会在发电机励磁电刷处表现。

3．治理甩负荷抬机的思路

3．1　目标、内容和关键问题

本项目研究目标是怎样控制水力机组甩负荷时转轮室水体运动使转轮室-尾水管段在机组甩负荷时不发生水击，从而不发生抬机，为发电设备安全提供服务。首先俄国科学家儒可夫斯基等论述了水击现象[8]：H1A-H0=c/g×（v0-v1)；ξmA=σ/2×[（σ2+4）1/2±σ]≈2σ/（2－σ），σ=Lvmax/gH0Ts。1987年湖南省岩屋潭水电站引水钢管、1995年长沙市第五自来水厂之源水管发生的爆裂实证了水击力大无穷，过去受前苏联专家的影响把注意力完全放在处理水电站引水钢管段的可能危险了，此段重要些，调保计算就是抓这一主要矛盾的，无可非议。的确转轮室-尾水管这节很短（三峡仅50米），弯肘的、断面由圆渐变为方且渐扩，进行甩负荷后转轮室-尾水管水体运动数学分析有一定难度，以致于无视尾水管段水击存在，导致用牛顿惯性力学寻找治理甩负荷抬机的措施，真空破坏阀失败[3]，焊箍卡住更是无奈，它们没能战胜有穿石之功的水力。还有一个管流掺气问题，伯努利没谈、斯托克斯也没讲，但我国水电人却在实践中发现了“补气”的妙用：防空化、减振动、治抬机（但要注意时机与位置都有差异，不可混淆），前不久翁先生跑到清华做实验，提出“气阻”概念，它在治理抬机中是个有益因素，就象“电阻”抑止振荡、“摩擦”让汽车奔弛一样有益。其次，抬机造成冲击应力应变，次数不多、力度不大或许能在弹性范畴，但注意冲击应力应变能够传递，遇薄弱断面处将积累“伤痕”，量变朝质变发展，断轴事故有案可查，抬机的症结需要我们清醒认识，解决的唯一途径就是对症下药，及时补气消除转轮室-尾水管段水击，文献[3]已谈到了这一点，须注意水击波速在1000m/s左右，<