灯泡贯流式水轮机导叶与桨叶协联关系探讨

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第42卷 第7期2019年7月

Vol.42 No.7Jul.2019

水 电 站 机 电 技 术

Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station

1 前言

保持导叶开度与桨叶开度协联关系是灯泡贯流式水轮机运行的基本要求，直接关系到水轮机运行的效率、机组的稳定性及使用寿命。灯泡贯流式水轮机水头低，水头波动相对水头所占百分比较大，容易引起机组负荷的较大波动，也可能产生异常的振动和噪声。

实际工程中，灯泡贯流式水轮机应注意保证在合同规定的水头及功率限制范围内运行，并尽可能使运行工况为协联工况或接近协联工况，以充分利用水能，避免异常的振动和噪声，满足水轮机空化性能要求。有的水电站由于运行人员对协联工况的理解存在偏差，机组运行经常严重偏离协联工况，导致水轮机出现异常的振动、噪音及空化现象，严重危害电站的安全稳定运行。

下面将从多个方面对灯泡贯流式水轮机导叶与桨叶协联关系相关问题进行探讨。

2 导叶与桨叶协联关系含义

导叶与桨叶协联关系可根据电站所用水轮机模型综合特性曲线来进行相似换算确定。

2.1 根据GB 相关标准理解导叶与桨叶协联关系的

含义

GB/T 15468-2006《水轮机基本技术条件》中对导叶与桨叶的协联关系没有明确定义，但在该规范的3.10.4款中对水轮机模型综合特性曲线定义时，

明确综合特性曲线“绘在以单位转速和单位流量为纵坐标系统内，表示模型水轮机效率等性能的等值曲线，对于特定电站应表示出运行范围。”，并且“对于导叶和桨叶双调节的水轮机还应表示出协联工况下导叶开度、叶片转角和空化系数的等值线”。

据此，灯泡贯流式水轮机导叶与桨叶的协联关系可理解为水轮机模型综合特性曲线中某一单位转速n 11（对应电站某一水头）下水轮机具有某一效率时所对应的导叶开度、桨叶开度。如图1所示，实际上，在水轮机模型综合特性曲线范围内任何一点的导叶开度α、桨叶开度β都是协联关系工况点，该工况对应的是某一单位转速n 11、单位流量Q 11、水轮机效率值η、空化系数σ等，这些值可从曲线中插值得到，

并可换算为原型水轮机相关参数。

图1　某三叶片贯流式水轮机模型综合特性曲线示例

收稿日期： 2018-05-24

作者简介： 熊建平（1966-），男，教授级高级工程师，从事水轮机设计工作。

灯泡贯流式水轮机导叶与桨叶协联关系探讨

熊建平，陈燕新，陈梁年

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

摘　要： 探讨了灯泡贯流式水轮机导叶开度与桨叶开度的协联关系的含义、协联关系曲线中水头的正确理解及设置方法、现场协联调试及优化方法、调速器自动水头输入及自动协联可行性、同一电站不同机组协联关系中水头损失设置差异、机组各运行水头下功率限制的严格控制、机组负荷周期性波动原因分析、机组异常振动噪音分析及改善等。灯泡贯流式水轮机实际运行时应尽可能接近协联工况，并能充分发挥其最佳水力性能。关键词： 灯泡贯流式水轮机；导叶开度；桨叶开度；协联关系；调试；优化

中图分类号：TK733+.8 文献标识码：A 文章编号：1672-5387（2019）07-0007-06DOI：10.13599/ki.11-5130.2019.07.002

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2.2 根据综合特性曲线绘制方法理解导叶与桨叶协

联关系的含义

我们从水轮机相关教科书中可以清楚地知道水轮机模型导叶与桨叶的协联曲线是如何绘制在综合特性曲线中的。下面以图2示例作简要说明。

图2　某一单位转速时试验测量确定导叶与桨叶协联关系

示例

模型试验时，针对某一单位转速n11（对应电站某一水头），在每个桨叶开度β时进行不同导叶开度α的模型效率试验，所得的数据可绘制图2所示水轮机效率η包络线，该线上任何一点所对应着一个协联工况点，该协联点所对应的水轮机效率η、导叶开度α、桨叶开度β、水轮机单位流量Q11等可以通过数据插值得到。

图2仅示意了3个桨叶开度。为了绘制出准确的、完整的效率包络线，应在数量足够的不同的桨叶开度下进行不同导叶开度工况点试验，采集足够的模型试验数据点，以确保能利用计算机编程实现曲线的精准绘制及得到可靠的数据插值。

同样在不同的单位转速（对应电站不同的水头）重复进行上述试验测量，可得到对应的效率包络线，利用这些效率包络线及插值得到的协联工况点数据，可绘制出图1所示水轮机模型综合曲线，包括等效率曲线、等导叶开度线、等桨叶开度线等。

从图2所示效率包络线中b点及f点的效率示意，可以清楚地表明，在桨叶开度为小开度或大开度时水轮机协联工况时协联工况点的效率并不一定是该桨叶开度下的最高效率，但均接近最高效率。这也为电站现场进行协联试验寻找协联工况点提供了依据。协联试验时可在某一水头下，不同桨叶开度时依据模型综合特性曲线换算得到的原型导叶开度附近进行不同导叶开度下的相关试验。

2.3 水轮机运转综合特性曲线中的导叶与桨叶协联

关系

电站水轮机运转特性曲线是根据其模型水轮机综合特性曲线进行换算而绘制的，如图3所示，其中也包括了对应的导叶与桨叶的协联关系。图中可以直观地找到某一水头下水轮机不同功率的工况点（也即协联工况点）对应的导叶开度、桨叶开度。运转特性曲线中的导叶开度、桨叶开度表示方式一般与水轮机模型综合特性曲线中的表示方式一致，如：图3采用角度表示，也可用开口值表示。

图3　某电站水轮机运转特性曲线示例

2.4 水轮机导叶与桨叶协联曲线绘制及理论延展优化

将水轮机运转特性曲线中的导叶开度、桨叶开度协联关系分别换算成电站导叶相对开度与桨叶相对开度的协联关系曲线，如图4所示。图中导叶相对开度是指水轮机的导叶开度换算到导叶接力器行程并除以导叶接力器总行程的百分比、桨叶相对开度是指桨叶开度换算到桨叶接力器行程并除以桨叶接力器总行程的百分比。

图4　电站水轮机导叶与桨叶协联关系曲线及理论延展

优化示例

图4中的椭圆虚线框内包括的部分是协联曲线优化延展，即把导叶相对开度及桨叶相对开度均延