CN113818989A - 弗朗西斯式水轮机的起动方法以及弗朗西斯式水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法具备：第一转速上升工序，以第一开度打开导流叶片，使转轮的转速上升；第二转速上升工序，在第一转速上升工序之后，以比第一开度大的第二开度打开导流叶片，对转轮的转速的上升进行加速；以及转速调整工序，在第二转速上升工序之后，以无负载开度打开导流叶片，将转轮的转速调整为额定转速。第一开度为无负载开度的一半以下的开度。

Description

弗朗西斯式水轮机的起动方法以及弗朗西斯式水轮机

技术领域

本发明的实施方式涉及弗朗西斯式水轮机的起动方法以及弗朗西斯式水轮机。

背景技术

在弗朗西斯式水轮机的水轮机运转时，来自上池的水通过入口管被引导至壳体。流入壳体的水通过固定叶片以及导流叶片，被导流叶片调整流量，并被引导至转轮。通过向该转轮流入的水来旋转驱动转轮，经由主轴与转轮连结的发电机被驱动，进行发电。之后，水从转轮流出，通过吸出管而被排出到下池或排水路。

这样的弗朗西斯式水轮机通常如以下那样起动。首先，打开设于入口管的入口阀，使水流入壳体内。接下来，以起动开度打开导流叶片，通过流入的水旋转驱动转轮，使转轮的转速上升。接着，以无负载开度打开导流叶片，将转轮的转速调整为额定转速。

然而，在弗朗西斯式水轮机起动时，在以上述起动开度打开导流叶片时，在径向上在导流叶片与转轮之间形成环状流路。然后，通过了导流叶片的水在该环状流路中气势汹汹地流动，能够在转轮的周围产生速度快的回旋流。由于该回旋流与转轮的转轮叶片碰撞，会产生剥离流。特别是，在落差较大的弗朗西斯式水轮机的情况下，回旋流变得更高速，能够产生更强的剥离流。此时，存在转轮内部的压力降低、成为饱和水蒸气压以下的情况。在该情况下，水蒸发而在水中产生水蒸气泡，在该水蒸气泡内的水蒸气冷凝的瞬间能够产生冲击性的压力上升。由此，冲击载荷施加于转轮，存在损伤转轮的隐患。

发明内容

实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法为具备能够调整引导至转轮的水的流量的导流叶片的弗朗西斯式水轮机的起动方法。弗朗西斯式水轮机的起动方法具备：第一转速上升工序，以第一开度打开导流叶片，使转轮的转速上升；第二转速上升工序，在第一转速上升工序之后，以大于第一开度的第二开度打开导流叶片，对转轮的转速的上升进行加速；以及转速调整工序，在第二转速上升工序之后，以无负载开度打开导流叶片，将转轮的转速调整为额定转速。第一开度为无负载开度的一半以下的开度。

另外，实施方式的弗朗西斯式水轮机具备：转轮；能够调整引导至转轮的水的流量的导流叶片；以及控制导流叶片的控制装置。控制装置控制导流叶片以进行如下工序：第一转速上升工序，以第一开度打开导流叶片，使转轮的转速上升；第二转速上升工序，在第一转速上升工序之后，以大于第一开度的第二开度打开导流叶片，对转轮的转速的上升进行加速；以及转速调整工序，在第二转速上升工序之后，以无负载开度打开导流叶片，将转轮的转速调整为额定转速。第一开度为无负载开度的一半以下的开度。

附图说明

图1是实施方式的弗朗西斯式水轮机的子午面剖面图。

图2是表示图1的弗朗西斯式水轮机的运转时的状态的俯视剖面图。

图3是表示图1的弗朗西斯式水轮机的停止时的状态的俯视剖面图。

图4是表示实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法中的导流叶片的开度以及转轮的转速的时间线图。

图5是表示一般的弗朗西斯式水轮机的起动方法中的导流叶片的开度的时间线图。

图6是表示在一般的弗朗西斯式水轮机的起动方法中以起动开度打开导流叶片时的水的流动的局部放大俯视剖面图。

图7是表示在实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法中以微小开度打开导流叶片时的水的流动的局部放大俯视剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法以及弗朗西斯式水轮机进行说明。

首先，使用图1～图3，对本实施方式的弗朗西斯式水轮机进行说明。另外，以下，按照水轮机运转时的水的流动进行说明。

如图1～图3所示，弗朗西斯式水轮机1具备入口系统2、壳体3、多个固定叶片4、多个导流叶片5以及转轮6。另外，在图2以及图3中，省略了入口系统2的图示。

入口系统2构成为将来自未图示的上池的水引导至壳体3。入口系统2具有入口管21、设于入口管21的入口阀22、对入口阀22进行旁通的旁通管23以及设于旁通管23的旁通阀24。

入口管21与从未图示的上池延伸的水压铁管和壳体3连接，构成为供来自未图示的上池的水流动，并能够将该水引导至壳体3。

入口阀22设于入口管21，构成为能够通过开闭来允许或阻断入口管21中的水的流动。在弗朗西斯式水轮机1停止时，入口阀22被关闭。另一方面，在弗朗西斯式水轮机1运转时，入口阀22被打开。入口阀22的开闭也可以由后述的控制装置C控制。

旁通管23与入口管21中的入口阀22的上游侧的部分与入口管21中的入口阀22的下游侧的部分连接，构成为能够对入口阀22进行旁通而将水引导至壳体3。

旁通阀24设于旁通管23，构成为能够通过开闭来允许或阻断旁通管23中的水的流动。在弗朗西斯式水轮机1停止时，旁通阀24被关闭。另一方面，在弗朗西斯式水轮机1运转时，旁通阀24被打开。旁通阀24的开闭也可以由后述的控制装置C控制。

壳体3形成为涡旋状，构成为供来自入口系统2的水流入，并使该水在内部流动。

固定叶片4设于比壳体3靠内侧的位置。固定叶片4构成为将流入壳体3的水引导至导流叶片5以及转轮6。如图2以及图3所示，固定叶片4在周向上隔开规定的间隔而配置。在固定叶片4之间形成有供水流动的流路。

导流叶片5设于比固定叶片4靠内侧的位置。导流叶片5构成为将流入的水引导至转轮6。如图2所示，导流叶片5在周向上隔开规定的间隔而配置。在导流叶片5之间形成有供水流动的流路。各导流叶片5以能够转动的方式构成，各导流叶片5转动而改变开度G，由此能够调整引导至转轮6水的流量。如图3所示，在弗朗西斯式水轮机1停止时，导流叶片5被关闭。导流叶片5的开度G也可以由后述的控制装置C控制。

转轮6设于比导流叶片5靠内侧的位置。转轮6构成为能够相对于壳体3以旋转轴线X为中心进行旋转，通过从导流叶片5流入的水而被旋转驱动。转轮6具有与主轴7连结的上冠(crown)8、设于上冠8的外周侧的下环(band)9以及设于上冠8与下环9之间的多个转轮叶片10。如图2以及图3所示，转轮叶片10在周向上隔开规定的间隔而配置。各转轮叶片10与上冠8和下环9分别接合。在各转轮叶片10之间形成有供水流动的流路(叶片间流路)。来自导流叶片5的水在各流路中流动，各转轮叶片10从该水受到压力，从而转轮6被旋转驱动。由此，流入转轮6的水的能量被转换为旋转能量。

在转轮6上经由主轴7而连结有发电机11。发电机11构成为，在水轮机运转时被传递转轮6的旋转能量而进行发电。

在转轮6的下游侧设有吸出管12。吸出管12与未图示的下池或排水路连结，旋转驱动转轮6的水恢复压力而被向下池或排水路排出。

另外，发电机11也可以构成为，具有作为电动机的功能，通过供给电力来旋转驱动转轮6。在该情况下，能够经由吸出管12将下池的水吸上来并排出到上池，能够使弗朗西斯式水轮机1作为泵水轮机而进行泵运转(抽水运转)。此时，导流叶片5的开度G改变为根据泵扬程而成为适当的抽水量。

另外，本实施方式的弗朗西斯式水轮机1具备控制装置C。

控制装置C构成为能够控制导流叶片5。控制装置C控制导流叶片5，以在弗朗西斯式水轮机1起动时进行后述的第一转速上升工序、后述的第二转速上升工序、以及后述的转速调整工序。更具体而言，控制装置C首先在第一转速上升工序中，以使导流叶片5以第一开度G1打开而使转轮6的转速N上升的方式控制导流叶片5。接下来，控制装置C在第二转速上升工序中，以使导流叶片5以第二开度G2打开而对转轮6的转速N的上升进行加速的方式控制导流叶片5。之后，控制装置C在转速调整工序中，以使导流叶片5以无负载开度G3打开，并将转轮6的转速N调整为额定转速N0的方式控制导流叶片5。

另外，控制装置C也可以构成为能够控制入口阀22以及旁通阀24。在该情况下，控制装置C在后述的流入开始工序的旁通阀打开工序中，以打开旁通阀24的方式控制旁通阀24。另外，控制装置C在后述的流入开始工序的入口阀打开工序中，以打开入口阀22的方式控制入口阀22。

接下来，使用图4，对本实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法进行说明。

本实施方式的弗朗西斯式水轮机1的起动方法具备：流入开始工序，开始向壳体3内流入水；第一转速上升工序，使转轮6的转速N达到第一转速N1；第二转速上升工序，使转轮6的转速N达到第二转速N2；以及转速调整工序，将转轮6的转速N调整为额定转速N0(达到目标转速)。

在弗朗西斯式水轮机1停止时，入口阀22、旁通阀24以及导流叶片5被关闭(参照图3)。在该状态下，首先，进行流入开始工序。在该流入开始工序中，开始向壳体3内流入水。流入开始工序包括打开旁通阀24的旁通阀打开工序、以及打开入口阀22的入口阀打开工序。

在流入开始工序中，首先，进行旁通阀打开工序。在该工序中，在入口阀22以及导流叶片5关闭的状态下，打开旁通阀24。由此，来自上池的水从入口管21流向旁通管23，通过旁通阀24而被引导至壳体3内。由此，能够使壳体3内的水的压力上升，使入口阀22的上游侧与壳体3内之间的压力差减少。因此，能够容易地进行入口阀22的开闭。

接下来，进行入口阀打开工序。在该工序中，在旁通阀24打开、且导流叶片5关闭的状态下，打开入口阀22。由此，大量的水从上池通过入口阀22而被引导至壳体3内。这样，开始向壳体3内流入水。

在流入开始工序之后，进行第一转速上升工序。在该第一转速上升工序中，以第一开度G1(微小开度G1)打开导流叶片5，使转轮6的转速N上升。这里，微小开度G1为后述的无负载开度G3的一半以下(50％以下)的开度。第一转速上升工序包括使导流叶片5的开度G上升至微小开度G1的第一开度上升工序、以及以微小开度G1维持导流叶片5的开度G的微小开度维持工序。

在图4中示出了表示导流叶片5的开度G以及转轮6的转速N的时间线图的一个例子。在图4的(a)的曲线图中，横轴表示时刻T，纵轴表示导流叶片5的开度G。在图4的(b)的曲线图中，横轴表示时刻T，纵轴表示转轮6的转速N。

在第一转速上升工序中，首先，如图4所示，在从时刻T1到时刻T2之间进行第一开度上升工序。在该工序中，以打开导流叶片5的方式使其转动，使导流叶片5的开度G从0％(关闭的状态)上升至微小开度G1。由此，在各导流叶片5之间形成微小的流路，流入壳体3内的水在导流叶片5之间的各流路中流动，开始流入转轮6。

接下来，如图4所示，在从时刻T2到时刻T3之间进行微小开度维持工序。在该工序中，以微小开度G1维持导流叶片5的开度G。在此期间，流入壳体3内的水在各导流叶片5之间的微小的流路中流动，继续流入转轮6(参照图7)。流入转轮6的水在各转轮叶片10之间的流路中流动。转轮叶片10从在该流路中流动的水受到压力，转轮6被旋转驱动，转轮6的转速N上升。由此，如图4所示，能够使转轮6的转速N在时刻T3上升至第一转速N1。

这里，第一转速N1为比转轮6的额定转速N0小的转速，例如也可以为转轮6的额定转速N0的30％以上的转速。另外，后述的额定转速N0下的转轮叶片10的外周缘13的周速V0与第一转速N1下的转轮叶片10的外周缘13的周速V1之差也可以为50m/sec以下。

在第一转速上升工序之后，进行第二转速上升工序。在该第二转速上升工序中，以比微小开度G1大的第二开度G2(起动开度G2)打开导流叶片5，对转轮6的转速N的上升进行加速。第二转速上升工序包括使导流叶片5的开度G上升至起动开度G2的第二开度上升工序、以及以起动开度G2维持导流叶片5的开度G的起动开度维持工序。

在第二转速上升工序中，首先，如图4所示，在从时刻T3到时刻T4之间进行第二开度上升工序。在该工序中，以打开导流叶片5的方式使其转动，使导流叶片5的开度G从微小开度G1上升至起动开度G2。由此，各导流叶片5之间的流路的宽度变宽，更多的水开始流入转轮6。

接下来，如图4所示，在从时刻T4到时刻T5之间进行起动开度维持工序。在该工序中，以起动开度G2维持导流叶片5的开度G。在此期间，流入壳体3内的水在各导流叶片5之间的流路中流动，继续流入转轮6。流入转轮6的水在各转轮叶片10之间的流路中流动。转轮叶片10从在该流路中流动的水受到压力，转轮6被旋转驱动，对转轮6的转速N的上升进行加速。由此，如图4所示，能够使转轮6的转速N在时刻T5上升至第二转速N2。

这样，通过使导流叶片5的开度G从微小开度G1上升至起动开度G2，增大引导至转轮6水的流量，能够使转轮6的转速N迅速地上升。由此，能够抑制弗朗西斯式水轮机1的起动时间的增加。

这里，如上述那样，起动开度G2为比微小开度G1大的开度，但例如也可以为导流叶片5的最大开度的10％以上且20％以下的开度。另外，第二转速N2是比第一转速N1大且比转轮6的额定转速N0小的转速，例如也可以是转轮6的额定转速N0的80％以上且95％以下的转速。

在第二转速上升工序之后，进行转速调整工序。在该转速调整工序中，以无负载开度G3打开导流叶片5，将转轮6的转速N调整为额定转速N0。转速调整工序包括使导流叶片5的开度G下降至无负载开度G3的开度下降工序、以及以无负载开度G3维持导流叶片5的开度G的无负载开度维持工序。

在转速调整工序中，首先，如图4所示，在从时刻T5到时刻T6之间进行开度下降工序。在该工序中，以关闭导流叶片5的方式使其转动，使导流叶片5的开度G从起动开度G2下降至无负载开度G3。

接下来，如图4所示，在从时刻T6到时刻T7之间进行无负载开度维持工序。在该工序中，以无负载开度G3维持导流叶片5的开度G。在此期间，通过流入转轮6的水来旋转驱动转轮6，转轮6的转速N进一步上升。由此，如图4所示，能够使转轮6的转速N在时刻T7达到额定转速N0。

这样，通过在转轮6的转速N达到额定转速N0之前，使导流叶片5的开度G从起动开度G2降低至无负载开度G3，减少引导至转轮6的水的流量，从而使转轮6的转速N的上升变缓。由此，能够使转轮6的转速N不超过额定转速N0，并且能够使转轮6的转速N逐渐上升而达到额定转速N0。

这里，如上述那样，无负载开度G3是比起动开度G2小的开度，但例如也可以是导流叶片5的最大开度的5％以上且15％以下的开度。

另外，在上述的流入开始工序、上述的第一转速上升工序、上述的第二转速上升工序、以及上述的转速调整工序中，入口阀22的开闭、旁通阀24的开闭以及导流叶片5的开度G的调整也可以由控制装置C进行。然而，也可以与控制装置C无关地由作业员手动操作。

这样，将转轮6的转速N调整为额定转速N0，起动本实施方式的弗朗西斯式水轮机1。之后，弗朗西斯式水轮机1进行通常运转(负载运转)，转轮6的旋转能量被传递至发电机11，进行基于发电机11的发电。

接下来，使用图5～图7，对本实施方式的弗朗西斯式水轮机1的起动方法的作用效果进行说明。

首先，对一般的弗朗西斯式水轮机1的起动方法进行说明。一般来说，如图5所示，在弗朗西斯式水轮机1起动时，打开入口阀22(时刻T1’)，在开始向壳体3内流入水之后，以起动开度G2打开导流叶片5(时刻T2’～时刻T3’)，使转轮6的转速N上升。之后，在转轮6的转速N达到了规定的转速后，使导流叶片5为无负载开度G3(时刻T4’～时刻T5’)，使转轮6的转速N调整为额定转速N0。

在该情况下，在以上述起动开度G2打开了导流叶片5时，如图6所示，在径向上在导流叶片5与转轮6之间形成环状流路30。然后，流过了各导流叶片5之间的流路的水在该环状流路30中气势汹汹地流动，能够在转轮6的周围产生速度快的回旋流31。通过该回旋流31与转轮叶片10碰撞，能够产生剥离流32。此时，存在转轮6的内部的压力降低、成为饱和水蒸气压以下的情况。在该情况下，水蒸发而在水中产生水蒸气泡，在该水蒸气泡内的水蒸气冷凝的瞬间能够产生冲击性的压力上升。由此，冲击载荷施加于转轮6，存在损伤转轮6的隐患。

与此相对，在本实施方式中，如上述那样，在以起动开度G2打开导流叶片5之前，以微小开度G1打开导流叶片5，使转轮6的转速N达到第一转速N1(参照图4)。如图7所示，在以微小开度G1打开导流叶片5的情况下，在各导流叶片5之间形成微小的流路，流入壳体3内的水在这些微小的流路中流动并流入转轮6。凭借微小的流路，压力损失变大，被转换为回旋流31的动能的压力的能量变小。因此，在以微小开度G1打开导流叶片5的期间，能够抑制在环状流路30中流动的回旋流31的速度，能够抑制剥离流32的产生。

另一方面，在以微小开度G1打开导流叶片5的期间，也能够使转轮6的转速N上升。在本实施方式中，在使转轮6的转速N达到第一转速N1之后，以起动开度G2打开导流叶片5。在以起动开度G2打开导流叶片5时，与图6的情况相同，能够在转轮6的周围产生速度快的回旋流31。此时，在本实施方式中，由于转轮6的转速N已达到第一转速N1，因此转轮叶片10的外周缘13的周速V已达到与其对应的周速V1。由此，能够减小以起动开度G2打开导流叶片5时的回旋流31的速度与转轮叶片10的外周缘13的周速V的速度差。因此，能够缓和回旋流31与转轮叶片10碰撞的力量，能够抑制剥离流32的产生。

这样，根据本实施方式，在弗朗西斯式水轮机1起动时的第一转速上升工序中，以无负载开度G3的一半以下的微小开度G1打开导流叶片5，使转轮6的转速N上升。由此，在第一转速上升工序中，能够抑制回旋流31的速度，并且能够使转轮6的转速N上升。由此，在第二转速上升工序中，能够减小以起动开度G2打开导流叶片5时的回旋流31的速度与转轮叶片10的外周缘13的周速V的速度差。因此，能够缓和回旋流31与转轮叶片10碰撞的力量，能够抑制剥离流32的产生。其结果，能够抑制伴随着剥离流32的冲击载荷施加于转轮6，能够抑制转轮的损伤。

另外，根据本实施方式，第一转速N1为额定转速N0的30％以上的转速。通过使第一转速N1为额定转速N0的30％以上的转速，在第二转速上升工序中，能够进一步减小以起动开度G2打开导流叶片5时的回旋流31的速度与转轮叶片10的外周缘13的周速V的速度差。因此，能够更有效地缓和回旋流31与转轮叶片10碰撞的力量，能够进一步抑制剥离流32的产生。

另外，根据本实施方式，额定转速N0下的转轮叶片10的外周缘13的周速V0与第一转速N1下的转轮叶片10的外周缘13的周速V1之差为50m/sec以下。在转轮叶片10的外周缘13具有这样的相对较快的周速V1时，通过以起动开度G2打开导流叶片5，能够更有效地缓和回旋流31与转轮叶片10碰撞的力量，能够进一步抑制剥离流32的产生。

根据以上所述的实施方式，能够抑制转轮的损伤。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等效的范围中。

另外，在上述实施方式中，对弗朗西斯式水轮机为能够进行泵运转的泵水轮机的例子进行了说明。然而，并不限定于此，弗朗西斯式水轮机也可以构成为不进行泵运转。

Claims (3)

1.一种弗朗西斯式水轮机的起动方法，所述弗朗西斯式水轮机具备能够调整引导至转轮的水的流量的导流叶片，其中，该弗朗西斯式水轮机的起动方法具备：

第一转速上升工序，以第一开度打开所述导流叶片，使所述转轮的转速上升；

第二转速上升工序，在所述第一转速上升工序之后，以比所述第一开度大的第二开度打开所述导流叶片，使所述转轮的转速的上升加速；以及

转速调整工序，在所述第二转速上升工序之后，以无负载开度打开所述导流叶片，将所述转轮的转速调整为额定转速，

所述第一开度为所述无负载开度的一半以下的开度。

2.如权利要求1所述的弗朗西斯式水轮机的起动方法，其中，

在所述第一转速上升工序中，使所述转轮的转速达到第一转速，

所述第一转速为所述额定转速的30％以上的转速、或者所述额定转速下的所述转轮的外周部的周速与所述第一转速下的所述转轮的所述外周部的周速之差为50m/sec以下。

3.一种弗朗西斯式水轮机，其中，具备：

转轮；

导流叶片，能够调整引导至所述转轮的水的流量；以及

控制装置，控制所述导流叶片，

所述控制装置控制所述导流叶片，以进行如下工序：

第一转速上升工序，以第一开度打开所述导流叶片，使所述转轮的转速上升；

第二转速上升工序，在所述第一转速上升工序之后，以比所述第一开度大的第二开度打开所述导流叶片，对所述转轮的转速的上升进行加速；以及

转速调整工序，在所述第二转速上升工序之后，以无负载开度打开所述导流叶片，将所述转轮的转速调整为额定转速，

所述第一开度为所述无负载开度的一半以下的开度。

Images