水泵水轮机稳定性预判和对策

摘要

水泵水轮机的稳定性主要体现在启动稳定性、运行稳定性、工况转换稳定性和停机稳定性几个方面。启动稳定性主要有水轮机工况空载稳定性和水泵工况启动稳定性;运行稳定性主要包括压力脉动、振动、噪声和空化性能几方面;停机稳定性一般发生在水轮机工况甩负荷、水泵工况停机两种情况;工况转换稳定性一般发生在水泵工况抽水转调相。通过对四象限特性曲线上等导叶开度线与飞逸曲线(T=0)交点处切线的斜率的正负值检查，可以预先判断水轮机空载工况的稳定性。为了尽早发现水轮机空载不稳定现象，应在CFD分析阶段和初步模型试验阶段给出四象限特性，为水力优化设计争取时间。同时在运行区域内，增加导叶开度的试验密度。通过优化水力设计，适当加大水轮机工况的过流能力，可以改善空载稳定性。在转轮特性调整裕度不大时，适当增大导叶节圆直径是一个可行的思路。这种优化必须与水泵工况的特性相匹配。采用非同步导叶等措施改善空载稳定性，应进行模型试验，以选择合适的非同步导叶位置、数量和预开开度。水泵工况大部分导叶开度特性曲线均具有驼峰特性，但最高扬程受空化、流量、效率、压力脉动限制，导叶开度选择范围不大，较难调整，通常以此为扬程裕度考核点。在实际工程上，扬程裕度指启动扬程裕度，其考核基准为驼峰区谷底与最高扬程之间的裕度。目前国标规定的裕度是合适的，但特殊情况下可按50Hz频率进行考核。过大的最高扬程裕度，对水泵工况的效率有利，可提高机组效费比，但对高扬程区的空化特性不利;同时，对于水头扬程变幅较大的电站，将对水轮机工况空载稳定性造成不利影响。水泵水轮机导叶小开度振动是一种扭转颤振，发生在水泵工况和水轮机反水泵工况，该扭振引发共振时的频率与机组转频和转轮叶片的通过频率直接相关。导叶小开度振动为流体诱发振动，只能通过水力、结构设计予以削弱或避开。模型试验测量、分析全导叶开度范围下无叶区的压力脉动，可以对小导叶开度振动进行预判，并通过适当的水力、结构设计修改予以避免。在小导叶开度区域的导叶开度测量步长宜尽可能小。导叶分布圆直径、臂长比、搭接量、接触面宽度、固有频率等形体和动力参数对导叶扭振的发生和强度有直接影响，应予重视并结合CFD解析及模型试验进行研究论证。导叶本身的刚度和固有频率，以及导水机构、顶盖、底环的刚度，均对该振动的抑制和抵抗有重要影响。加强刚度和共振分析总是必须的。在满足现行标准和运行要求的前提下，针对导叶小开度振动采取一些控制流程方面的调整措施，也是可行的临时措施，但不能因此取消或简化水力和结构设计研究。希望引起我国抽水蓄能电站建设各方的重视，进一步提升水泵水轮机研发创新水平。