CN113818990A - 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：旁通阀打开工序，关闭入口阀，并且打开旁通阀；入口阀打开工序，在旁通阀打开工序之后，打开入口阀；以及第一转速上升工序，在转轮的周围流动的回旋流的流速达到90m/sec之前以最大开度的50％以上的开度打开导流叶片，使转轮的转速上升。

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，来自上池的水从入口管通过入口阀被引导至壳体。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。另外，为了减少入口阀的上游侧与入口阀的下游侧(壳体内)之间的压力差而使入口阀的开闭变得容易，设有对入口阀进行旁通的旁通管，在该旁通管设有旁通阀。

这样的弗朗西斯式水轮机通常如以下那样起动。在弗朗西斯式水轮机停止时入口阀、旁通阀以及导流叶片均被关闭。在该状态下，首先，打开旁通阀，使壳体内的压力上升到与入口阀的上游侧的压力相同的程度。接下来，打开入口阀，向壳体内导入水。接着，以10％～20％的范围内的开度打开导流叶片，通过流入的水旋转驱动转轮，使转轮的转速上升而达到额定转速。

然而，在弗朗西斯式水轮机起动时，在以上述范围内的开度下打开导流叶片的情况下，能够在径向上在导流叶片与转轮之间形成环状流路。在该情况下，通过了导流叶片的水在该环状流路中流动，能够在转轮的周围产生回旋流。通过该回旋流与转轮的转轮叶片碰撞，能够产生剥离流。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是具备设于将水引导至壳体的入口管的入口阀、设于对入口阀进行旁通而将水引导至壳体的旁通管的旁通阀、以及能够调整引导至设于壳体内的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：旁通阀打开工序，关闭入口阀，并且打开旁通阀；入口阀打开工序，在旁通阀打开工序之后，打开入口阀；以及第一转速上升工序，在转轮的周围流动的回旋流的流速达到90m/sec之前以最大开度的50％以上的开度打开导流叶片，使转轮的转速上升。

另外，实施方式的弗朗西斯式水轮机具备：壳体；入口管，将水引导至壳体；入口阀，设于入口管；旁通管，对入口阀进行旁通而将水引导至壳体；旁通阀，设于旁通管；转轮，设于壳体内；导流叶片，能够调整引导至转轮的水的流量；以及控制装置。控制装置控制入口阀、旁通阀以及导流叶片以进行如下工序：旁通阀打开工序，关闭入口阀，并且打开旁通阀；入口阀打开工序，在旁通阀打开工序之后，打开入口阀；以及第一转速上升工序，在转轮的周围流动的回旋流的流速达到90m/sec之前以最大开度的50％以上的开度打开导流叶片，使转轮的转速上升。

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是图1的弗朗西斯式水轮机的俯视剖面图。

图3是用于说明实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法的图，并且是表示弗朗西斯式水轮机停止时的状态的俯视剖面图。

图4是用于说明在实施方式的弗朗西斯式水轮机的起动方法中第一转速上升工序的俯视剖面图。

图5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。

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以及图2，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以及图2所示，弗朗西斯式水轮机1具备入口***2、壳体3、多个固定叶片4、多个导流叶片5以及转轮6。

入口***2构成为将来自未图示的上池的水引导至壳体3。入口***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的上游侧的部分和入口阀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***2的水流入，并使该水在内部流动。在壳体3的内部设有多个固定叶片4、多个导流叶片5以及转轮6。

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的水的流量。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作为泵水轮机进行泵运转(抽水运转)。此时，导流叶片5的开度G被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构成为能够控制上述的入口阀22、旁通阀24以及导流叶片5。控制装置C控制入口阀22、旁通阀24以及导流叶片5，以在弗朗西斯式水轮机1起动时进行后述的旁通阀打开工序、后述的入口阀打开工序、后述的第一转速上升工序、以及后述的第二转速上升工序。更具体而言，控制装置C首先在旁通阀打开工序中，以打开旁通阀24的方式控制旁通阀24。接下来，控制装置C在入口阀打开工序中，以打开入口阀22的方式控制入口阀22。接着，控制装置C在第一转速上升工序中，以使在后述的回旋流31的流速达到90m/sec之前以最大开度G0的50％以上的开度G1打开导流叶片5而使转轮6的转速N上升的方式控制导流叶片5。之后，控制装置C在第二转速上升工序中，以使导流叶片5以小于最大开度G0的50％的开度G2打开而使转轮6的转速N进一步上升并达到额定转速N0的方式控制导流叶片5。

接下来，使用图3～图7，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：旁通阀打开工序，打开旁通阀24；入口阀打开工序，打开入口阀22；第一转速上升工序，使转轮6的转速N上升；以及第二转速上升工序，使转轮6的转速N进一步上升而使转轮6的转速N达到额定转速N0。如图3所示，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。

在该状态下，首先，进行旁通阀打开工序。在该旁通阀打开工序中，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。因此，壳体3内的水的压力上升，入口阀的上游侧与壳体内之间的压力差减少。

在旁通阀打开工序之后，进行入口阀打开工序。在该入口阀打开工序中，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。

在入口阀打开工序之后，进行第一转速上升工序。在该第一转速上升工序中，在入口阀22以及旁通阀24打开的状态下，如图4所示，以最大开度G0(机械性最大开度)的50％以上的开度G1(起动开度G1)打开导流叶片5，使转轮6的转速N上升。导流叶片5在后述的回旋流31的流速达到90m/sec之前，以起动开度G1打开。第一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G1的开度上升工序、以及以起动开度G1维持导流叶片5的开度G的起动开度维持工序。

在图5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5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5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5所示，在时刻T1到时刻T2之间进行开度上升工序。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)上升到起动开度G1。由此，流入壳体3内的水在导流叶片5之间的各流路中流动，并开始流入转轮6。这里，在该时刻T2，后述的回旋流31的流速未达到90m/sec。

接下来，如图5所示，在时刻T2到时刻T3之间进行起动开度维持工序。在该工序中，以起动开度G1维持导流叶片5的开度G。在此期间，流入壳体3内的水在导流叶片5之间的各流路中流动，并继续流入转轮6。流入转轮6的水在转轮叶片10之间的各流路中流动。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5所示，能够使转轮6的转速N在时刻T3上升至规定的目标转速N1。这里，目标转速N1比转轮6的额定转速N0(到达目标转速)小，例如也可以为转轮6的额定转速N0的20％以上且95％以下。

一般来说，在弗朗西斯式水轮机1起动时，以小于最大开度G0的50％、例如10％以上且20％以下的起动开度打开导流叶片5。在该情况下，如图6所示，能够在径向上在导流叶片5与转轮6之间形成环状流路30。由此，流过了导流叶片5之间的各流路的水在该环状流路30中流动，能够在转轮6的周围产生回旋流31。通过该回旋流31与转轮叶片10碰撞，能够产生剥离流32。特别是，在回旋流31的流速为90m/sec以上的情况下，容易产生较强的剥离流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，在弗朗西斯式水轮机1起动时，在回旋流31的流速达到90m/sec之前，以最大开度G0的50％以上的起动开度G1打开导流叶片5。由此，如图7所示，通过转动的导流叶片5，能够减小径向上的导流叶片5与转轮6之间的间隔，能够缩窄环状流路30的宽度。即，能够在回旋流31的流速达到90m/sec之前，由导流叶片5封堵环状流路30。因此，可抑制流过了导流叶片5之间的各流路的水在环状流路30中流动，如图7的粗箭头所示，能够顺畅地在转轮叶片10之间的各流路中流动。由此，抑制了回旋流31的发展，并抑制了剥离流32的产生。其结果，抑制了伴随着剥离流32的冲击载荷施加于转轮6，抑制了转轮6的损伤。

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，以小于最大开度G0的50％的开度G2(无负载开度G2)打开导流叶片5，使转轮6的转速N进一步上升而达到额定转速N0。第二转速上升工序包括使导流叶片5的开度G下降至无负载开度G2的开度下降工序、以及以无负载开度G2维持导流叶片5的开度G的无负载开度维持工序。

在第二转速上升工序中，首先，如图5所示，在时刻T3到时刻T4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G1下降至无负载开度G2。

接下来，如图5所示，在时刻T4到时刻T5之间进行无负载开度维持工序。在该工序中，以无负载开度G2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5所示，能够使转轮6的转速N在时刻T5达到额定转速N0。

这里，如上述那样，无负载开度G2为小于最大开度G0的50％的开度，但更具体而言，也可以是最大开度G0的5％以上且15％以下的开度。

另外，在上述的旁通阀打开工序、入口阀打开工序、第一转速上升工序、以及第二转速上升工序中，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，转轮6的转速N达到额定转速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。

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，在回旋流31的流速达到90m/sec之前，以最大开度G0的50％以上的开度G1打开导流叶片5。由此，能够在回旋流的流速达到90m/sec之前，通过转动的导流叶片5封堵环状流路30。由此，能够抑制流过了导流叶片5之间的各流路的水在环状流路30中流动，能够抑制回旋流31的发展。因此，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，通过以最大开度G0的50％以上的开度G1打开导流叶片5，能够使流入转轮6的水的流量增大。因此，能够使转轮6的转速N迅速地上升，能够缩短弗朗西斯式水轮机1的起动时间。

(第一变形例)

在上述实施方式中，示出了在入口阀打开工序之后进行第一转速上升工序的例子。然而，并不限定于此，第一转速上升工序也可以在旁通阀打开工序之前进行。即，在上述实施方式的弗朗西斯式水轮机1的起动方法中，依次进行了旁通阀打开工序、入口阀打开工序、第一转速上升工序、第二转速上升工序，也可以依次进行第一转速上升工序、旁通阀打开工序、入口阀打开工序、第二转速上升工序。

在该情况下，在第一转速上升工序中，在入口阀22以及旁通阀24关闭的状态下，以最大开度G0的50％以上的起动开度G1打开导流叶片5。由此，在弗朗西斯式水轮机1停止时贮存在壳体3的内部的水被引导至转轮6，转轮叶片10从该水受到压力，转轮6被旋转驱动。因此，转轮6的转速N上升。

接下来，在旁通阀打开工序中，在入口阀22关闭、且导流叶片5打开的状态下，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。因此，壳体3内的水的压力上升，入口阀的上游侧与壳体内之间的压力差减少。

接着，在入口阀打开工序中，在导流叶片5以及旁通阀24打开的状态下，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。流入壳体3内的水在导流叶片5之间的各流路中流动并被引导至转轮6，转轮叶片10从该水受到压力，转轮6被旋转驱动。由此，转轮6的转速N进一步上升。

然后，在第二转速上升工序中，以小于最大开度G0的50％的无负载开度G2打开导流叶片5，使转轮6的转速N进一步上升而达到额定转速N0。

这样，即使在旁通阀打开工序之前进行第一转速上升工序的情况下，在第一转速上升工序中，通过在回旋流的流速达到90m/sec之前以最大开度G0的50％以上的开度G1打开导流叶片5，也能够抑制回旋流31的发展。由此，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。

(第二变形例)

另外，在上述实施方式中，第一转速上升工序也可以在旁通阀打开工序与入口阀打开工序之间进行。即，在上述实施方式的弗朗西斯式水轮机1的起动方法中，也可以依次进行旁通阀打开工序、第一转速上升工序、入口阀打开工序、第二转速上升工序。

在该情况下，在旁通阀打开工序中，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。因此，壳体3内的水的压力上升，入口阀的上游侧与壳体内之间的压力差减少。

接下来，在第一转速上升工序中，在入口阀22关闭、且旁通阀24打开的状态下，以最大开度G0的50％以上的起动开度G1打开导流叶片5。由此，在弗朗西斯式水轮机1停止时贮存于壳体3的内部的水被引导至转轮6，转轮叶片10从该水受到压力，转轮6被旋转驱动。因此，转轮6的转速N上升。

接着，在入口阀打开工序中，在旁通阀24以及导流叶片5打开的状态下，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。流入壳体3内的水在导流叶片5之间的各流路中流动并被引导至转轮6，转轮叶片10从该水受到压力，转轮6被旋转驱动。由此，转轮6的转速N进一步上升。

然后，在第二转速上升工序中，以小于最大开度G0的50％的无负载开度G2打开导流叶片5，使转轮6的转速N进一步上升而达到额定转速N0。

这样，即使在旁通阀打开工序与入口阀打开工序之间进行第一转速上升工序的情况下，在第一转速上升工序中，通过在回旋流的流速达到90m/sec之前以最大开度G0的50％以上的开度G1打开导流叶片5，也能够抑制回旋流31的发展。由此，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。

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 (5)

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：入口阀，设于将水引导至壳体的入口管；旁通阀，设于对所述入口阀进行旁通而将水引导至所述壳体的旁通管；以及导流叶片，能够调整引导至设于所述壳体内的转轮的水的流量，其中，该弗朗西斯式水轮机的起动方法，具备：

旁通阀打开工序，关闭所述入口阀，并且打开所述旁通阀；

入口阀打开工序，在所述旁通阀打开工序之后，打开所述入口阀；以及

第一转速上升工序，在所述转轮的周围流动的回旋流的流速达到90m/sec之前以最大开度的50％以上的开度打开所述导流叶片，使所述转轮的转速上升。

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，

所述第一转速上升工序在所述入口阀打开工序之后进行。

3.如权利要求1所述的弗朗西斯式水轮机的起动方法，其中，

所述第一转速上升工序在所述旁通阀打开工序之前进行。

4.如权利要求1所述的弗朗西斯式水轮机的起动方法，其中，

所述第一转速上升工序在所述旁通阀打开工序与所述入口阀打开工序之间进行。

5.一种弗朗西斯式水轮机，其中，具备：

壳体；

入口管，将水引导至所述壳体；

入口阀，设于所述入口管；

旁通管，对所述入口阀进行旁通而将水引导至所述壳体；

旁通阀，设于所述旁通管；

转轮，设于所述壳体内；

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，

所述控制装置控制所述入口阀、所述旁通阀以及所述导流叶片以进行如下工序：

旁通阀打开工序，关闭所述入口阀，并且打开所述旁通阀；

入口阀打开工序，在所述旁通阀打开工序之后，打开所述入口阀；以及

第一转速上升工序，在所述转轮的周围流动的回旋流的流速达到90m/sec之前以最大开度的50％以上的开度打开所述导流叶片，使所述转轮的转速上升。

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