一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置及补气方法与流程

1.本发明涉及水轮机技术领域，特别涉及一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置及补气方法。


背景技术：

2.大型混流式水轮机在部分负荷工况下(试验证明通常在30-70％负荷)，存在尾水管涡带压力脉动，不可能通过转轮叶片水力设计来对混流式水轮机全负荷范围涡带压力脉动进行根本控制。尾水管涡带压力脉动会导致机组振动、摆度增大，使机组的稳定运行范围减小(大部分机组在70％以上负荷才能稳定运行)，使得机组在电网中的调节能力减弱。云南电网异步联网加上新能源机组大量并网，使电网需要机组调节能力更大，目前主要采取向尾水管补气的方式来消除或控制尾水管涡带压力脉动，从而减小机组振动区，加大机组的可调节能力。
3.目前的补气方式主要有自然补气和强迫补气。大型机组补气一般采用大轴中心孔自然补气，强迫补气一般采用尾水短管强迫补气。大轴中心孔自然补气的优点是补气可以直接到达尾水管涡核中心，缺点是补气量不足，补气对于涡带压力脉动及其引起的振动、摆度等的减弱作用不明显。尾水短管强迫补气的优点是补气量大、补气量可控制，缺点是尾水短管强迫补气需要使用压缩空气补气，电厂现有的压缩空气系统不支持大的补气量。综上所述，亟需找到一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气方法。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置及补气方法，该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置将大轴中心孔补气可以直接补气到尾水管涡核中心、补气量大、补气量可控制等优点相结合，实现补气量的协联控制，达到减小或消除尾水涡带压力脉动，减小机组振动、摆度，增加机组稳定运行区域。
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置包括补气头、水轮机大轴、补气高压风机和空气密封机构；所述补气头安装于水轮机大轴上，且水轮机大轴能够相对补气头进行转动，水轮机大轴的外壁与补气头的内壁之间形成有转动间隙，补气头上设有气源进气管路，水轮机大轴插入补气头内的端头中心处安装有逆止阀；所述补气高压风机气源进气管路上，其能够向补气头进行补气；所述空气密封机构能够向转动间隙内输入压缩空气，使水轮机大轴的外壁与补气头的内壁之间形成空气密封。
7.进一步的，所述气源进气管路上还安装有电动阀，电动阀位于补气高压风机前端，靠近于补气头处。
8.进一步的，所述空气密封机构包括密封气源、密封进气管、分支进气管、分支排气管和密封排气管；所述密封进气管的一端连接密封气源，另一端与若干分支进气管连通，若
干分支进气管竖向同轴排列穿过补气头的侧壁延伸至转动间隙处；所述分支排气管和密封排气管与密封进气管和分支进气管对称设置安装于补气头的另一侧，分支排气管一端穿过补气头的侧壁延伸至转动间隙处，另一端与密封排气管连通，密封排气管与气源进气管路连通。
9.进一步的，所述密封进气管上安装有减压阀。
10.进一步的，该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置还包括上位机，所述上位机与补气高压风机、电动阀和减压阀控制连接，上位机根据水轮机功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动参数对补气高压风机和空气密封机构的补气量进行联控。
11.一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气方法，该大型混流式水轮机中心孔强迫补气方法基于上述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，其特征在于，包括以下步骤：
12.步骤1，通过在现有的大轴中心孔自然补气转置的气源进气管路上加装高压风机，利用高压风机作为大轴中心孔强迫补气转置的气源；
13.步骤2，引入压缩空气减压后作为补气装置固定部分补气头和转动部分水轮机大轴之间的主轴密封气源，减少密封漏气量；
14.步骤3，将功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动多参数引入上位机，通过试验，实现补气量的协联控制，达到减小或消除尾水涡带压力脉动，减小机组振动、摆度，增加机组稳定运行区域。
15.进一步的，步骤1中的高压风机通过以下方式选取：
16.补气量用大气压力下空气的容积流量与水轮机额定流量之比的百分数来表示，最大相对补气量约2％，因此高压风机的最大流量为：
17.q
max
＝2％
×
qr18.式中，qr为水轮机额定流量，q
max
为高压风机的最大流量；
19.所选取的高压风机应满足最大流量q
max
。
20.进一步的，通过试验实现补气量的协联控制包括以下步骤：
21.步骤ⅰ，对各水头下各工况点分别进行补气量试验，并建立振动幅值与补气量曲线图，在振动幅值与补气量曲线图中得出各水头下各工况点的最优补气量q
优
；
22.步骤ⅱ，各水头下各工况点的补气量试验完成后，得到一张典型工况最优补气量表；
23.步骤ⅲ，机组运行过程中，上位机根据运行水头和工况通过二维插值算法，调取典型工况最优补气量表中相应水头相应工况点的补气量数据，通过该补气量数据自动控制机组补气量。
24.本发明的有益效果是：
25.该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置将大轴中心孔补气可以直接补气到尾水管涡核中心、补气量大、补气量可控制等优点相结合，实现补气量的协联控制，达到减小或消除尾水涡带压力脉动，减小机组振动、摆度，增加机组稳定运行区域。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
27.其中：
28.图1为本发明整体结构示意图；
29.图2为振动幅值与补气量曲线图；
30.图中，1-补气头，2-水轮机大轴，3-补气高压风机，4-转动间隙，5-气源进气管路，6-逆止阀，7-电动阀，8-密封气源，9-密封进气管，10-分支进气管，11-分支排气管，12-密封排气管，13-减压阀。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.针对大轴中心孔补气，补气量不足，对于涡带压力脉动及其引起的振动、摆度等的减弱作用不明显，尾水短管强迫补气需要使用压缩空气补气，电厂现有的压缩空气系统不支持大的补气量等问题，本实施例提供一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置。
33.如图1所示，该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置包括补气头1、水轮机大轴2、补气高压风机3和空气密封机构。补气头1安装于水轮机大轴2上，且水轮机大轴2能够相对补气头1进行转动，水轮机大轴2的外壁与补气头1的内壁之间形成有转动间隙4，补气头1上设有气源进气管路5，水轮机大轴2插入补气头1内的端头中心处安装有逆止阀6。补气高压风机3气源进气管路5上，其能够向补气头1进行补气。空气密封机构能够向转动间隙4内输入压缩空气，使水轮机大轴2的外壁与补气头1的内壁之间形成空气密封。
34.进一步的，本实施例中的空气密封机构采用以下结构，如图1所示，空气密封机构包括密封气源8、密封进气管9、分支进气管10、分支排气管11和密封排气管12。密封进气管9的一端连接密封气源8，另一端与6根分支进气管10连通，6根分支进气管10竖向同轴排列穿过补气头1的侧壁延伸至转动间隙4处。分支排气管11和密封排气管12与密封进气管9和分支进气管10对称设置安装于补气头1的另一侧，6根分支排气管11一端穿过补气头1的侧壁延伸至转动间隙4处，另一端与密封排气管12连通，密封排气管12与气源进气管路5连通。
35.考虑到该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置需要根据水轮机功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动参数对补气高压风机3和空气密封机构的补气量进行联控。因此，如图1所示，本实施例中在气源进气管路5上还安装有电动阀7，电动阀7位于补气高压风机3前端，靠近于补气头1处；在密封进气管9上安装有减压阀13；此外还设有与补气高压风机3、电动阀7和减压阀13控制连接的上位机。上位机根据水轮机功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动参数对补气高压风机3和空气密封机构的补气量进行联控。
36.该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置的整体思路，是将大轴中心孔补气可以直接补气到尾水管涡核中心、强迫补气补气量大、补气量可控制的优点结合起来，具体的补气方法如下：
37.首先，通过在现有的大轴中心孔自然补气转置的气源进气管路5上加装高压风机，
利用高压风机作为大轴中心孔强迫补气转置的气源；高压风机工作后，补气量能够由逆止阀6进入水轮机大轴2。
38.补气量用大气压力下空气的容积流量与水轮机额定流量之比的百分数来表示，根据现场试验得出最大相对补气量约2％。因此高压风机的最大流量为：q
max
＝2％
×
qr39.式中，qr为水轮机额定流量，q
max
为高压风机的最大流量；
40.因此，所选取的高压风机应满足最大流量q
max
。
41.其次，对补气装置的固定部分补气头1和转动部分大轴之间的密封进行重新设计，引入压缩空气减压后作为补气装置固定部分补气头1和转动部分水轮机大轴2之间的主轴密封气源8，减少密封漏气量。密封气源8提供的压缩空气进减压后进入水轮机大轴2的外壁与补气头1的内壁之间的转动间隙4，形成空气密封；由于此处气压较大，为了避免对水轮机大轴2转动造成影响，因此设计分支排气管11和密封排气管12，使多余压缩空气能够经分支排气管11和密封排气管12回流至气源进气管路5。
42.最后，将功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动等多参数引入上位机，通过试验，实现补气量的协联控制，由上位机根据功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动等多参数调整补气高压风机3转速即补气量，以及保证转动间隙4处的空气密封，从而达到减小或消除尾水涡带压力脉动，减小机组振动、摆度，增加机组稳定运行区域。
43.具体的，首先对各水头下各工况点分别进行补气量试验，并建立振动幅值与补气量曲线图，振动幅值与补气量曲线图如图2所示，在振动幅值与补气量曲线图中得出各水头下各工况点的最优补气量q
优
。该水头该工况点在最优补气量q
优
补气的情况下，机组振动、摆度、压力脉动最小，机组实现最优化稳定性运行。
44.各水头下各工况点的试验完成后，可以得到一张典型工况最优补气量表,典型工况最优补气量表如下表所示：
[0045][0046]
机组运行过程中，上位机根据运行水头和工况通过二维插值算法确定机组所需要的补气量，从而自动控制机组补气量。例如，在对水头1工况点1进行补气量控制时，上位机调取典型工况最优补气量表中的q
优1
补气量数据，通过该补气量数据对对水头1工况点1自动控制机组补气量，从而减小机组振动、摆度、压力脉动，从而减小机组振动区，加大机组的可调节能力。
[0047]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，其特征在于：该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置包括补气头、水轮机大轴、补气高压风机和空气密封机构；所述补气头安装于水轮机大轴上，且水轮机大轴能够相对补气头进行转动，水轮机大轴的外壁与补气头的内壁之间形成有转动间隙，补气头上设有气源进气管路，水轮机大轴插入补气头内的端头中心处安装有逆止阀；所述补气高压风机气源进气管路上，其能够向补气头进行补气；所述空气密封机构能够向转动间隙内输入压缩空气，使水轮机大轴的外壁与补气头的内壁之间形成空气密封。2.根据权利要求1所述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，其特征在于：所述气源进气管路上还安装有电动阀，电动阀位于补气高压风机前端，靠近于补气头处。3.根据权利要求1所述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，其特征在于：所述空气密封机构包括密封气源、密封进气管、分支进气管、分支排气管和密封排气管；所述密封进气管的一端连接密封气源，另一端与若干分支进气管连通，若干分支进气管竖向同轴排列穿过补气头的侧壁延伸至转动间隙处；所述分支排气管和密封排气管与密封进气管和分支进气管对称设置安装于补气头的另一侧，分支排气管一端穿过补气头的侧壁延伸至转动间隙处，另一端与密封排气管连通，密封排气管与气源进气管路连通。4.根据权利要求3所述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，其特征在于：所述密封进气管上安装有减压阀。5.根据权利要求4所述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，其特征在于：该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置还包括上位机，所述上位机与补气高压风机、电动阀和减压阀控制连接，上位机根据水轮机功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动参数对补气高压风机和空气密封机构的补气量进行联控。6.一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气方法，该大型混流式水轮机中心孔强迫补气方法基于权利要求1-5任一所述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过在现有的大轴中心孔自然补气转置的气源进气管路上加装高压风机，利用高压风机作为大轴中心孔强迫补气转置的气源；步骤2，引入压缩空气减压后作为补气装置固定部分补气头和转动部分水轮机大轴之间的主轴密封气源，减少密封漏气量；步骤3，将功率、开度、水头、振动、摆度、压力脉动多参数引入上位机，通过试验，实现补气量的协联控制，达到减小或消除尾水涡带压力脉动，减小机组振动、摆度，增加机组稳定运行区域。7.根据权利要求6所述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气方法，其特征在于：步骤1中的高压风机通过以下方式选取：补气量用大气压力下空气的容积流量与水轮机额定流量之比的百分数来表示，最大相对补气量约2％，因此高压风机的最大流量为：q
max
＝2％
×
q
r
式中，q
r
为水轮机额定流量，q
max
为高压风机的最大流量；所选取的高压风机应满足最大流量q
max
。8.根据权利要求6所述的大型混流式水轮机中心孔强迫补气方法，其特征在于：通过试
验实现补气量的协联控制包括以下步骤：步骤ⅰ，对各水头下各工况点分别进行补气量试验，并建立振动幅值与补气量曲线图，在振动幅值与补气量曲线图中得出各水头下各工况点的最优补气量q
优
；步骤ⅱ，各水头下各工况点的补气量试验完成后，得到一张典型工况最优补气量表；步骤ⅲ，机组运行过程中，上位机根据运行水头和工况通过二维插值算法，调取典型工况最优补气量表中相应水头相应工况点的补气量数据，通过该补气量数据自动控制机组补气量。

技术总结
本发明公开了一种大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置，包括补气头、水轮机大轴、补气高压风机和空气密封机构；补气头安装于水轮机大轴上，水轮机大轴的外壁与补气头的内壁之间形成有转动间隙，补气头上设有气源进气管路；补气高压风机气源进气管路上，其能够向补气头进行补气；空气密封机构能够向转动间隙内输入压缩空气，使水轮机大轴的外壁与补气头的内壁之间形成空气密封。该大型混流式水轮机中心孔强迫补气装置将大轴中心孔补气可以直接补气到尾水管涡核中心、补气量大、补气量可控制等优点相结合，实现补气量的协联控制，达到减小或消除尾水涡带压力脉动，减小机组振动、摆度，增加机组稳定运行区域。增加机组稳定运行区域。增加机组稳定运行区域。


技术研发人员：丁永胜 赛俊聪
受保护的技术使用者：云南电力试验研究院（集团）有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/7/6