轴流转桨式水轮机抬机现象处理探析
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摘要：目前我国许多水电站都在使用轴流转桨式水轮机进行发电，但是这些轴流转桨式水轮机在投入工作以后时常会出现抬机现象，这使得机组在运行时出现烧瓦事故，或多或少对水电站的正常发电工作产生了影响，如果放任抬机现象继续发生下去，有可能会造成不可估量的损失。鉴于此，本文就对轴流转桨式水轮机的抬机现象的成因和处理方式做出一些简要分析，为水电站今后的安全工作生产做出一些预防措施。
关键词：水轮机；抬机现象；反水锤；处理措施
Abstract: at present our country many hydropower stations in the use of shaft flow turbine blade to generate power, but these shaft flow turbine blade in work often appear after carrying machine phenomenon, this makes unit at run time appear the tile burning accident, more or less to normal work of the hydropower station power the effects if indulge lift machine phenomenon continue to happen down, it can cause theirown losses. In view of this, this article is to transfer the turbine propeller shaft carrying the origin and processing machine phenomenon ways to make some brief analysis, the security of the future for hydropower station production to make some preventive measures.
Keywords: turbine; Lift machine phenomenon; Hammer rebel; Processing measures
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
使用轴流转桨式水轮机进行发电的水电站一般规模都比较大，不比轴流定桨式水轮机那样在低水头小型水电站中使用最为普遍。例如三峡库区的满天星电站，其中机组的最大水头为21.73m，最小水头13.86m，额定水头19.9m，使用的就是轴流转桨式水轮机，但是在2003年机组投入使用之后就经常出现抬机现象，影响电站的正常工作。如何处理抬机现象，就是我们要解决的关键问题。
一、抬机现象的成因
轴流转桨式水轮机在运行过程中，导叶关闭时常常会发生抬机现象。一旦发生抬机现象，就会相继产生一系列的重大事故如整个机组的振动、推力轴承的损坏、甚至导叶或水轮机顶盖破裂等等，严重影响水电站的安全生产。要想从根本上解决轴流转桨式水轮机的抬机现象，就要对其产生原因做出准确客观的理论分析。这样在制定相应处理措施时才能做到有理有据，有的放矢。
究其抬机原因，大致分为两种：尾水管反向水击导致抬机以及轴流泵工况造成的抬机。
1.尾水管反向水击导致抬机
当轴流转桨式水轮机机组甩负荷时，为了防止它的转子发生飞逸，损坏内部结构，就需要快速关闭该水轮机的导叶。但是当导叶快速关闭的时候，水流并不能随之也快速降压，而是要根据惯性作用继续高度流动，此时就会使尾水管内产生反向水击现象，真空度急剧上升。由于尾水管周围结构内压强减小，在大气压的强烈作用下，已经流向下游的水会急速回涌，反向撞击转轮和导叶，产生向上的冲击力，这就是反水锤。同时反水锤压力极大，致使机组转动位置抬起，也就是所谓的抬机现象。
尾水管内反向水击导致的抬机现象，对水轮机机组而言都是冲击性的。因为在设计和安装时水轮机的各项参数都基本固定，为防止抬机现象产生就只能在减少顶盖下的最大正压强上面努力。同时由于此压强由尾水管中反向水压的最大负压据顶，所以，关键的关键就在于减少顶盖下的真空度。
2. 水轮机受到水流作用力造成的抬机
一般在对轴流转桨式水轮机机组进行设计和选型号的时候，都会采用负吸出高度使水流产生反向水推力来助推抬机，这样做是为了防止水轮机被汽蚀。但是这样设计的话在水轮机处于负吸出过程时转轮室水位很高，即使机组要进行甩负荷时或者遇特殊情况紧急停机，导叶关闭并切断了上游供给的水时，转轮室的水仍是满的。由于惯性作用转轮也不会立即停下，而是继续高速转动，桨叶不停搅拌水流。流体力学可知，当转轮桨叶向下推动水流时，其水流也必定有一个向上的轴向动力带动叶片转动，也就是水泵升力。这种动力一旦大于机组转动部分的自身重力时，就会造成抬机。
因为机组的转速降低是一个持续过程，不可能突变到0，所以其叶片转动进而受到的水流的反作用力也会随着转速降低而慢慢减小，当这个作用力减小到机组转动部分自身重力时，机组抬起的部分就会再次落下。所以说，轴流转桨式水轮机因水泵升力而造成的抬机是一个持续过程，机组部分再次落下是需要时间的。
针对这一特征，防止相应水轮机抬机的方法就是在关闭导叶后尽可能快地降低机组转速，在短时间内减小轮转桨叶受水流的作用力。而且使用水轮机的水电站相关设计和施工工作人员也应在满足各项指标和汽蚀条件的前提下结合水轮机抬机现象综合考虑再做好水电站建设工作。
二、水轮机抬机现象处理措施
1.破坏真空装置
为了能彻底消除因水轮机组尾水管反向水击造成的抬机现象，就要破坏其转轮室力的真空状态。这个时候就可以在水轮机的顶盖上相应地安装几个真空破坏阀，可以在导叶关闭情况下自动打开补充气体，这样尾水管的水流在回流过程中因为内外大气压强平衡就会及时停止回流，不会触及转轮叶片，也就不可能发生抬机现象了。
但是这种破坏真空装置在现实中防止抬机现象并没有预期中那么理想。上文提到过的满天星水电站使用的就是这一装置，但是实际效果差强人意，究其原因，有以下三点：
（1）真空破坏阀的补气量调整很困难，补气量也严重不足，无法具备足够的压强使水流停止回流。
（2）工作反应速度过慢，往往在真空破坏阀打开补气的时候水流都已经将转轮室淹没了，不利于及时控制水轮机抬机。
（3）密封性能差，导致补充的气体在水流的强大作用力下反而被排出转轮室，丝毫不能起到任何阻拦作用，任由水流撞击转轮造成抬机却无能为力。
为了改善真空破坏装置的这些不足之处，除了在购置安装配件的时候要严格要求真空破坏阀的产品质量和施工质量以外，也还需要我们水电站相关工作人员努力配合检修工作，做到以下两点：
（1）定期检查真空破坏阀的内外温度差和密封性能并按时维护，及时发现问题及时更换，让其有一个可靠的性能保证。
（2）在确保水轮机机组正常运行且真空破坏阀在水流强劲的时候不漏水的前提下，适当调节真空破坏阀内部压力，增加补气量，使其在水流回流时补充的气体压强足够组织水流撞击转轮导叶。
2.分段关闭导叶
合理采用分段关闭导叶方法可以有效降低水轮机出现抬机现象的概率。满天星水电站就曾对水轮机机组甩负荷100%情况下时做过分段关闭导叶方法应用功效的实验：第一段导叶的关闭速度很快，由100%至全关时间只用了5秒，这样就能保证在蜗壳水压的正常上升情况下迅速进入水泵工况区，确保其机组转速安全合理。第二段导叶关闭速度较第一段慢，花费时间为第一段导叶关闭时间的5~6倍，这样分段关闭导叶就可以确保水轮机处于水泵工作状态的时间较长，机组转轮桨叶的转速在一直下降，而这个过程中水流反作用于桨叶的动力又小于机组转动部分自身的重量，这就可以完全避免抬机现象的产生。
在使用轴流转桨式水轮机的水电站中合理利用分段关闭导叶法，就可以降低相应机组水流管道部分位置的压力短期上升值，降低转轮室的真空程度，从而使顶盖上的最大正压强也会相应减少。这种方法最大程度上应用了减少真空度的原理，虽然不能完全消除真空，但是其实际意义却是非常巨大的，完全可以从根本上大大降低水轮机抬机现象发生的几率，对众多水电站的安全生产的重要性是不言而喻的。
3.尽快降低转轮转速
以上两种方法对于抬机现象只能防止与处理，并不能完全根除，对于尾水管反向水击和水泵升力共同作用而产生的抬机现象就稍显无能为力了。所以，在机组甩负荷工作完成以后尽快降低转轮桨叶的转速直至停止转动是根除的唯一办法。现在比较常采用的方法就是水地阻制动方法。只有将水轮机的转轮转速在极短时间内降到最低甚至停止，进而最大化地减小因水泵升力而形成的抬机作用力，才是唯一能够彻底根除轴流转桨式水轮机抬机现象的方法。
结语：抬机现象在现在的轴流转桨式水轮机正常工作中是常常会发生的，为确保该机组的安全生产工作，我们相关技术人员要根据实际情况综合考虑出一整套完美的方案来消除这一现象。本文只为消除抬机现象这一课题提出一些参考意见，稍有不足之处还望众多同行专家批评指正。笔者旨在为今后的消除抬机工作添砖加瓦，贡献出自己的一份微薄之力。
参考文献：
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