轴流转桨式水轮机在档案管理中的应用

轴流转桨式水轮机在档案管理中的应用

在转换过程中，如果系统中的局部动态水压力降低到一定值，则会出现空虚感和气孔。根据管道的形状和速度梯度,气穴有可能变得很大,乃至在管道局部充满整个截面,这种现象叫水体分离或水柱中断。轴流转桨式水轮机在甩负荷过渡过程中,当导叶快速关闭时,导叶后与转轮进口前出现高度真空,形成明显的水体分离;当水流在尾水压力作用下反向流动受阻于转轮时,有可能形成直接水击(阀门的关闭时间小于水击的相数,这类水击称为直接水击),致使抬起机组转子并折断轮叶。水流绕过叶片后又将使液柱弥合,造成巨大压力,以至破坏导叶、水轮机顶盖等。这种现象便是轴流转桨式水轮机在甩负荷过渡过程中比较常见的断流反水锤现象。从20世纪50年代起至今,已多次发生因反水锤事故导致轴流转桨式水轮机转轮叶片破坏的事故。国内外已发表了一些关于轴流转桨式水轮机断流反水锤问题的研究文献,但这些文献对轴流转桨式水轮机断流反水锤发生的机理认识得还不够深刻。本文将进一步对轴流转桨式水轮机发生断流反水锤的区域和临界压力进行研究,从而揭示出轴流转桨式水轮机发生断流反水锤的机理。1轴流转桨式水轮机结构参数分析目前,国内外对于轴流转桨式水轮机断流反水锤的认识存在一定的误区。认为轴流转桨式水轮机在甩负荷过渡过程中发生的断流反水锤是由于尾水管进口断面的压力降低引起的,尾水管进口断面是发生水柱中断的断面,这是不符合实际的。作者所做的轴流转桨式水轮机甩负荷过渡过程多次试验表明:甩负荷过渡过程中,尾水管进口断面管壁上的压力不但没有降低,而且还有所升高。图1示出了作者在古田溪四级水电站2号机上所做的轴流转桨式水轮机装置甩负荷过渡过程试验实测的动态工况参数的瞬变曲线族。图1中p1为蜗壳进口压力;p2为导叶进口压力;p3为导叶后外测点的压力;p4为导叶后中间点的压力;p5为导叶后内测点的压力;p8为尾水管进口处压力;各压力测点布置如图3所示。MH为动态力矩;Δh为钢管测动态流量的压差;S为导叶接力器行程;n为机组转速;Pz为动态轴向水推力;φ为转轮接力器行程。甩负荷前蜗壳进口压力为p1=36.7m;导叶后压力p3=22.13m,p4=17.0m,p5=13.47m;尾水管进口压力p8=4.5m。随着导叶的关闭,蜗壳进口压力增大,p1最大值为39.5m;导叶后的压力降低,p3最小值为-7.8m,p4最小值为-9.49m,p5最小值为-8.8m;尾水管进口压力增大,p8最大值为11m。图2示出了前苏联一单机62000KW、装置水头21.12m的轴流转桨式水轮机组,甩满负荷过渡过程实测的工况参数瞬变曲线。图中,M为水轮机动态轴端力矩;hcn为蜗壳中动态水压;φ为转轮叶片转角;h3为导叶后顶盖内侧动态水压;n为机组动态转速;SZ为动态轴向水推力;s为导水机构接力器行程;hr为尾水管中动态水压。t=0时为机组与系统解列时刻。从图2中可以看出,尾水管中水压hr在整个过渡过程中略有升高,但变化不大;而导叶后转轮进口前顶盖处的水压h3随导叶关闭和转速的上升急剧下降。当转速升到极值时,出现最大真空。图1和图2中实测的工况参数瞬变曲线都表明,轴流转桨式水轮机在甩负荷过渡过程出现压力降低的区域不在尾水管的进口,而在导叶后转轮进口前的区域。为了研究造成水柱中断的条件,需要对导叶后0-0断面和尾水管进口3-3断面的压力变化规律做进一步的分析。图3示出了轴流转桨式水轮机的装置图。图3中Hs为水轮机吸出高度;h1为桨叶旋转中心线到尾水管进口的距离;h2为导叶中心线到尾水管进口的距离。根据不稳定伯努力方程可推导出导叶后0—0断面上的动态压力表达式为:Ρ0γ=-Ηs+h1+1gdQΗdt∫LdxA+ΗΗ-h2-ν202g(1)P0γ=−Hs+h1+1gdQHdt∫LdxA+HH−h2−ν202g(1)式中:γ为水的重度;g为重力加速度;QH为动态流量;L为0—0断面至尾水管出口断面的长度;ν0为导叶后流速;ν0=QH/2πR0b0;R0为导叶分布圆半径;b0为导叶高度;HH为水轮机内水头,HH=HeH+hH,HeH为水轮机动态有效水头,hH为转轮区域的动态水力损失,hH=ζQ2H,ζ为水力损失系数。文献给出了HeH的表达式:ΗeΗ=ωΗg(1-Κp)[(cotα2πb0+rFcotβ0)QΗ-ωΗr2]-ΩJωΗρgQΗD5dωΗdt+ΩΜωΗρgQΗD2dQΗdt(2)HeH=ωHg(1−Kp)[(cotα2πb0+rFcotβ0)QH−ωHr2]−ΩJωHρgQHD5dωHdt+ΩMωHρgQHD2dQHdt(2)式中:Kp为翼栅的透明系数,取平板翼栅的理论值,Kp=e-πl/tc;l/tc为中间翼栅的稠密度;α为导叶出口水流角;β0为翼栅的水流零向角,β0=β-Δβ,β为叶片中间流面翼型安放角,Δβ为实际翼弦与动力翼弦的夹角;r为转轮按流量平均的中间流面半径,r=D1/2√(1+ˉd2)/2,D1r=D1/2(1+d¯2)/2−−−−−−−−−√,D1为转轮直径,ˉdd¯为轮毂比,ˉd=d/D1‚dd¯=d/D1‚d为轮毂直径;F为转轮过水断面面积;ΩM和ΩJ为转轮区域水流的惯性系数,ΩM和ΩJ的表达式为:ΩΜ=ρ12θ(1+ˉd+ˉd2)ΩJ=πρ(1-ˉd4)64√1+ˉd22θtanβΩM=ρ12θ(1+d¯+d¯2)ΩJ=πρ(1−d¯4)641+d¯22−−−−√θtanβ式中:θ为叶片中间流面翼型平面包角。由式(2)可知,HeH随着流量QH的减小和转速ωH的增大而减小;hH随着流量的减小而减小。所以HH在甩负荷过渡过程中是减小的,并且HH将由正值变为负值,从而进入向心式水泵工况。假设dQH/dt为常数,由式(1)可知,导叶后压力P0随HH的减小而降低,机组进入向心式水泵工况区域的深度越深,P0值越小。可见,过渡过程中导叶后压力随导叶关闭而降低。尾水管进口3-3断面上的压力表达式为:Ρ3γ=-Ηs+h1+1gdQΗdt∫L1dxA-ν232g(3)式中:L1为3-3断面至尾水管出口断面的长度;ν3为尾水管进口断面的流速,ν3=QH/F3,F3为尾水管进口断面的面积。假设dQH/dt为常数,由式(3)可知,尾水管进口断面压力P3随流量QH的减小而增大。随着导叶的关闭,尾水管进口断面上的动能转化成压能。当导叶完全关闭,流量为零时,尾水管进口断面上的压力等于该断面上的静水压力-Hs+h1。可见,过渡过程中尾水管进口水压随导叶关闭而缓慢增大。2降压过程分析作者针对陕西汉江旬阳水电站轴流转桨式水轮机在设计工况下的甩负荷过渡过程进行了计算,并应用本文推导出的式(1)和式(3)计算了整个过渡过程中导叶后和尾水管进口断面上的压力变化规律。水轮机组在设计工况下的参数为:额定流量为427.6m3/s;额定转速为88.2r/min额定出力为81.6MW;额定水头为21.74m,吸出高度为-9.76m。计算结果如图4所示。由图4可以看出,甩负荷前导叶后的压力为24.5m,尾水管进口压力为4.13m,二者的差值约等于水轮机组的内水头。在甩负荷初期,尾水管进口的压力随着导叶的关闭而降低,这主要是由于尾水管中的水流惯性引起的。由式(3)可知,尾水管中的水流惯性1gdQΗdt∫L1dxA将使尾水管进口断面的压力降低。在甩负荷初期,尾水管中水流惯性的影响大于流量ν232g对尾水管进口压力的影响,因此尾水管进口断面的压力降低;随着导叶的关闭,尾水管中流量变化对尾水管进口压力的影响占主导地位,使尾水管进口压力升高,在甩负荷过渡过程结束时,尾水管进口的压力达到9.59m,约等于该断面的静水压力9.76m。导叶后的压力随着导叶的关闭急剧降低,在2.4s时出现最大真空,最大真空度为6.3m;图4的计算结果表明:在整个甩负荷过渡过程中,尾水管进口断面都没有出现真空,而导叶后出现了较大的真空度,但真空度不大,不致引起反水锤。3水中压力与水体表面活性剂的性质目前,国内外现有的计算断流反水锤的方法中,都将常温下清水的汽化压力0.24m水柱作为判断是否发生断流反水锤的临界压力。认为压力低于0.24m水柱时,水汽化,发生水柱中断,这种认识是不正确的。断流反水锤的发生是由于流道内局部压力降低,使水发生空化,形成气穴引起的。空化与汽化是两个不同的物理过程,前者是水中的气核膨胀的气体多变过程,后者是水由液态到气态的相变过程。试验表明:常温下,水的空化压力与汽化压力是不相等的,有时空化压力比汽化压力大很多。当流道内的局部压力降低到临界空化压力时,水中就可能发生气穴。当气穴发生在全断面上时,便发生断流。文献中给出了万家寨水电站引用水不同泥沙含量水样实测的临界空化压力变化曲线。实测结果表明,在室温20℃时,不同含沙量水样临界空化压力远高于清水的汽化压力值。图5为作者取用黄河万家寨水电站站址的水样实测所得的不同含沙量时的临界空化压力曲线。可见,临界空化压力随含沙浓度的增大而显著增大。因此,不能一概地采用20℃清水的汽化压力来代替自然水的空化压力值,必须使用电站实测水质的空化压力值来作为判断发生断流反水锤的临界压力。研究表明,不含任何异相介质的纯水具有同金属相近的抗张强度,不会发生空化。只有水中含有大量的尺寸很小的空气核子时,水才能发生空化。这些肉眼看不见的空气核子的数量和大小,则决定水的空化压力值,其中包括初生空化与临界空化压力值。水中含有的空气核子以游离气泡或黏附与隐藏在固体缝隙中的形式存在,这种固体可能是液体周边的介体或液体中的杂质。因此当水中杂质的含量越多时,黏附与隐藏在杂质缝隙中的空气核子越多,尺寸越大,水的初生空化与临界空化压力值也越大,越容易发生空化与断流反水锤,这与试验所得出的结果是相符的。4断流反水锤的范围本文的研究成果对轴流转桨式水轮机发生断流反水锤的机理有了进一步