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高比转速混流式水轮机低负荷运行稳定性研究

廖书长  
【摘要】: 近年来,由于计算机技术和计算流体力学的迅速发展,现代水轮机的水力性能得到了进一步的提升,大型混流式水轮机的效率已接近极限,但随着水轮机单机容量(尺寸)的增大和参数的提高,混流式水轮机运行的稳定性问题空前凸显。国内外投运的许多大型混流式水轮机均不同程度地出现振动过大或转轮裂纹等问题。水轮机运行稳定性的好坏直接影响机组和电站正常生产和运行的经济效益,因此,对其进行深入研究具有重要的理论和实际意义。 本文搜集并统计了国内外众多大型混流式水轮机基本资料及运行情况,并在前人研究成果和方法基础上,对混流式水轮机尤其高比转速混流式水轮机特性及其在低负荷的运行稳定性进行了研究,从理论上分析了高比转速混流式水轮机转轮的结构和形状特点,转轮进口水流冲角、出口水流环量和压力梯度与水轮机运行工况的关系,以及低负荷涡带成因及其压力脉动的频率和幅值特性;同时,在研究水力机组振动频率特征和稳定性试验数据分析方法的基础上,以某大型高比转速混流式水轮机稳定性试验结果为例,进行了真机运行稳定性分析,研究了水轮机不同负荷尤其低负荷运行特性以及水头变化对其的影响;最后研究了改善混流式水轮机低负荷运行稳定性的设计和运行措施,并提出了基于部分负荷运行稳定性优化的水轮机额定水头选择方法。 混流式水轮机在不同运行工况下,转轮进出口流态有很大变化,从而水轮机稳定性也有很大差别。除了众所周知的涡带振动区外,更小负荷时的叶道涡有时也能引起较大的压力脉动或振动。真机试验表明,水头对水轮机运行稳定性有重要影响,随着运行水头的增大,水轮机运行不稳定区向大负荷方向扩展,稳定区变窄。对高比转速混流式水轮机,在水头变幅较大或偏离额定工况较远条件下,低负荷运行稳定性问题可能更为严重。混流式水轮机低负荷振动是其固有属性,这种属性是由其叶片的不可调节决定的,在一定程度上可通过优化转轮叶片、泄水锥和尾水管等过流部件及水轮机整体设计等手段使之得到改善。对于某一水轮机,必然存在一定的运行不稳定区域,通常可通过补气或装设稳流和阻水装置加以消减。同时,优化水轮机工作参数(额定水头)选择、合理安排机组运行方式,对改善混流式水轮机低负荷运行稳定性具有重要作用和意义。


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