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【摘 要】混流式水轮机运行过程中产生的尾 水真空及空腔涡带是转轮发生空蚀的主要原因，空蚀使水轮机效率降低、振动加大，严重时会造成设备损坏事故.减小尾水真空及空腔涡带的方法就是对尾水管补气.滩坑水电站原水轮机补气装置结构为弹簧浮动式补气结构，减震效果差.经研究，滩坑水电站结合机组检修将水轮机补气装置改为浮球式大轴中心补气装置，本文介绍了大轴中心补气装置的结构特点及改造后补气效果试验等.。
滩坑水电站位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪中游河段，对外交通便利，大坝为面板堆石坝，采用了先进的分层取水方式，保护下游生态环境。该电站接近电网负荷中心，经济指标较好，综合效益明显，是瓯江流域水电梯级开发规划中的一座重要骨干电站。
滩坑电站安装有3台200MW的水轮发电机组，发电机型号为SF200-40/10800，采用具有上下两个导轴承的立轴半伞式结构以及一台4000KW卧式机组，总装机容量为604MW，在浙江电网内发挥重要作用，既有发电、调峰、调相功能，又有防洪抗灾能力。
混流式水轮机运行过程中因尾水真空及空腔涡带使转轮产生空蚀，导致水轮机效率降低、振动加大，严重时造成设备损坏。大轴中心补气作为尾水管常用补气方式之一，可以较好地破坏水轮机空蚀，因其结构简单、效果良好，目前国内大型水电站中得到广泛的应用。[1][2][3]
1 滩坑水电站大轴补气系统
1.1 系统构成
滩坑水电站水轮机补气方式为大轴中心自然补气。补气装置由外围补气管、大轴补气管、补气阀等组成。补气阀形式为弹簧浮筒液压缓冲式双重保护真空补气阀，中心补气设置在发电机上端，补气管通过轴系内孔延伸至转轮上冠出口，大轴中心孔内管管径为DN300，进口处采用2根DN250管子通过发电机上机架进入补气阀。
1.2 系统功能
机组运行时，大轴中心补气装置能够利用压差结构补充空气破坏尾水真空及空腔涡带，减少水轮机的气蚀和震动，提供水轮机的工作效率。
1.3 工作特性
机组运行时，大轴中心补气装置自动投入，补气量随负荷量变化而变化。稳定工况区补气量小，在非稳定工况区补气量大，甩 负荷时补气量最大。机组运行时，补气管内存在自上而下的补气气流，可说明此时大轴补气管内为负压，无尾水返水。[4][5]
2 存在的安全隐患
浮筒式补气阀未考虑具有缓冲作用的减震结构，机组在不同的工况下需要频繁补气，以至于阀体频繁剧烈碰撞，产生较大噪音，长期运行过程中橡胶密封件易损坏，尾水容易从大轴补气管进入机组内部，很难满足机组安全运行的要求。
3 新型补气装置的描述及特点
3.1 系统构成
新型补气装置由阀罩、补气阀、浮球阀三大部件组成。
3.1.1阀罩
结构：阀罩由内腔、补气管、排水管、挡水环和环形内、外集水腔组成。
工作原理：与阀罩相连的补气管、排水管通往厂房外面，补气管将厂房外空气引入补气罩内腔，为补气阀提供补充的空气，少量渗漏水部分流到内集水腔（部分流到外集水腔），并经四个R90的半圆形缺口流出，再由排水管排至尾水渠。
3.1.2补气阀
结构：补气阀由阀盖、浮筒、压板、阀座、进气筒、减震装置、联接法兰、导水环等部件组成，补气阀底部联接法兰与浮球阀顶部法兰密封把合。
工作原理：当水轮机下部为非负压时，补气阀的压板在自重的作用下落在阀座上，主轴中心孔补气管道与厂房外部补气通路被阻断;当机组需补气时，水轮机补气管道内产生负压，压板在负压的作用下，向上开启。
补气通路：补入空气由厂房外部经补气罩上的补气管路→补气罩内室→补气筒→阀体内腔→阀体夹璧→浮球阀内腔→主轴中心孔管道→转轮下部，压板与阀座之间的开度与机组补气量成正比。
压板开启或关闭的速度由减震装置来限制。减震装置内部无复位弹簧，只相当于一个阻尼环节，只对压板的运动速度起到限制作用。
当水轮机转轮下部产生正压时，压板在正压的作用下关闭补气阀，切断了水流的上溢通路。经阀体夹璧进入阀体内腔的漏水从进气筒、导水环排入补气室底部，再由排水管排至尾水渠。
3.1.3浮球阀
结构：浮球、阀体等组成
工作原理： 水轮机转轮下部为负压时，浮球下落于下端橡胶密封圈Ⅱ，为补气提供通路。补气时经浮球阀上端密封圈→浮球阀底部→进入主轴中心孔补气管道→进入转轮下部，机组正常补气时浮球阀只为补气提供通路。
水轮机转轮下部为正压时，水流上溢，浮球随水流上浮，当浮球与上端橡胶密封圈Ⅰ的密封面紧密接触时，切断了水流的上溢通路，阻止水流的继续上溢。浮球阀与补气阀共同作用可靠地阻止了水流的上溢。
3.2 浮球式中心孔补气装置工作特点
3.2.1 消除补气阀的工作噪声
压板采用航空铝经机械加工制造而成，具有重轻、强度高的特点，压板自重轻复位力小，加之减震装置的限速作用，消除了O型密封圈与阀座的接触噪声，从而改善了机组的运行环境。
3.2.2 高可靠性
补气阀可靠性高，加之本装置又增设了抑制溢水的浮球阀，二者共同作用，大大提高了机组运行的安全可靠性。
a. 考虑到以后对补气阀的检修、维护的方便，浮球阀结构可更改为从上部往下安装。
b. 减震装置：需要补气时，靠真空度吸力的作用，阀门向上开启。在阀门开启过程中，减震装置对阀门有一个向下的拉力，随着阀门的开启，向下的拉力逐渐加大。到达全开位置时，阀门与上部的阀盖不接触。为了减缓关闭时的撞击，减震装置还有使阀门慢关闭的功能。吸取VOITH公司在溪洛渡电站机组的多年成功运行经验（运行稳定且使用寿命长等优点），减震器选用国际知名品牌ACE公司的ACE的液压稳速进给控制器。
c. 阀门向上的吸力和向下的拉力都是计算得出的，有一个匹配关系。减震装置必须满足这些力。如果增加弹簧，由于弹簧力的作用，势必会阻碍阀门的及时开启，起不到快速补气的作用。减震器计算结论：阀门开启时向上吸力为200Kg，最大向上吸力为650 Kg。阀门自重为32 Kg。减震器在开启时可提供165 Kg的向下拉力，并随阀门的开启，向下拉力逐渐加大，阀门的全行程为150mm。
4 改造后运行情况
大轴中心补气装置安装完成后进行了试验，补气灵敏，补气量充足，补气过程中无碰撞造成的异响。
5 结束语
滩坑水电站大轴中心补气装置改造符合工程实际，新型的浮球式中心补气装置与原有发电机组结构具有良好的适配性，避免了扩大化改造，降低了改造投入。
参考文献：
[1]冯文贵，雷洪进. 东风发电厂机组大轴中心补气装置改造[J]. 贵州水力发电，2005，（3）：54-56.doi：10.3969/j.issn.1007-0133.2005.03.013.
[2]阮凡，李金明，张冬生，等. 水轮机大轴补气系统技术改造探讨[J]. 云南水力发电，2013，（5）.doi：10.3969/j.issn.1006-3951.2013.05-030
[3]魏學锋，孙茂军，王宏程，等溪洛渡电站东电机组补气阀技术改造方案研究[J]. 人民长江，2016，（7）.doi：10.16232/j.cnki.1001-4179.2016.07.023.
[4]陈世程，方戊强. 紫坪铺水力发电厂大轴中心补气阀改造[J]. 中国机械，2015，（8）：106-106，107.
[5]姜德政. 三峡ALSTOM水轮发电机组大轴补气阀的改进[J]. 水电与新能源，2010，（2）：38-39.doi：10.3969/j.issn.1671-3354.2010.02.014.
（作者单位：浙江浙能北海水力发电有限公司）
滩坑水电站位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪中游河段，对外交通便利，大坝为面板堆石坝，采用了先进的分层取水方式，保护下游生态环境。该电站接近电网负荷中心，经济指标较好，综合效益明显，是瓯江流域水电梯级开发规划中的一座重要骨干电站。
滩坑电站安装有3台200MW的水轮发电机组，发电机型号为SF200-40/10800，采用具有上下两个导轴承的立轴半伞式结构以及一台4000KW卧式机组，总装机容量为604MW，在浙江电网内发挥重要作用，既有发电、调峰、调相功能，又有防洪抗灾能力。
混流式水轮机运行过程中因尾水真空及空腔涡带使转轮产生空蚀，导致水轮机效率降低、振动加大，严重时造成设备损坏。大轴中心补气作为尾水管常用补气方式之一，可以较好地破坏水轮机空蚀，因其结构简单、效果良好，目前国内大型水电站中得到广泛的应用。[1][2][3]
1 滩坑水电站大轴补气系统
1.1 系统构成
滩坑水电站水轮机补气方式为大轴中心自然补气。补气装置由外围补气管、大轴补气管、补气阀等组成。补气阀形式为弹簧浮筒液压缓冲式双重保护真空补气阀，中心补气设置在发电机上端，补气管通过轴系内孔延伸至转轮上冠出口，大轴中心孔内管管径为DN300，进口处采用2根DN250管子通过发电机上机架进入补气阀。
1.2 系统功能
机组运行时，大轴中心补气装置能够利用压差结构补充空气破坏尾水真空及空腔涡带，减少水轮机的气蚀和震动，提供水轮机的工作效率。
1.3 工作特性
机组运行时，大轴中心补气装置自动投入，补气量随负荷量变化而变化。稳定工况区补气量小，在非稳定工况区补气量大，甩 负荷时补气量最大。机组运行时，补气管内存在自上而下的补气气流，可说明此时大轴补气管内为负压，无尾水返水。[4][5]
2 存在的安全隐患
浮筒式补气阀未考虑具有缓冲作用的减震结构，机组在不同的工况下需要频繁补气，以至于阀体频繁剧烈碰撞，产生较大噪音，长期运行过程中橡胶密封件易损坏，尾水容易从大轴补气管进入机组内部，很难满足机组安全运行的要求。
3 新型补气装置的描述及特点
3.1 系统构成
新型补气装置由阀罩、补气阀、浮球阀三大部件组成。
3.1.1阀罩
结构：阀罩由内腔、补气管、排水管、挡水环和环形内、外集水腔组成。
工作原理：与阀罩相连的补气管、排水管通往厂房外面，补气管将厂房外空气引入补气罩内腔，为补气阀提供补充的空气，少量渗漏水部分流到内集水腔（部分流到外集水腔），并经四个R90的半圆形缺口流出，再由排水管排至尾水渠。
3.1.2补气阀
结构：补气阀由阀盖、浮筒、压板、阀座、进气筒、减震装置、联接法兰、导水环等部件组成，补气阀底部联接法兰与浮球阀顶部法兰密封把合。
工作原理：当水轮机下部为非负压时，补气阀的压板在自重的作用下落在阀座上，主轴中心孔补气管道与厂房外部补气通路被阻断;当机组需补气时，水轮机补气管道内产生负压，压板在负压的作用下，向上开启。
补气通路：补入空气由厂房外部经补气罩上的补气管路→补气罩内室→补气筒→阀体内腔→阀体夹璧→浮球阀内腔→主轴中心孔管道→转轮下部，压板与阀座之间的开度与机组补气量成正比。
压板开启或关闭的速度由减震装置来限制。减震装置内部无复位弹簧，只相当于一个阻尼环节，只对压板的运动速度起到限制作用。
当水轮机转轮下部产生正压时，压板在正压的作用下关闭补气阀，切断了水流的上溢通路。经阀体夹璧进入阀体内腔的漏水从进气筒、导水环排入补气室底部，再由排水管排至尾水渠。
3.1.3浮球阀
结构：浮球、阀体等组成
工作原理： 水轮机转轮下部为负压时，浮球下落于下端橡胶密封圈Ⅱ，为补气提供通路。补气时经浮球阀上端密封圈→浮球阀底部→进入主轴中心孔补气管道→进入转轮下部，机组正常补气时浮球阀只为补气提供通路。
水轮机转轮下部为正压时，水流上溢，浮球随水流上浮，当浮球与上端橡胶密封圈Ⅰ的密封面紧密接触时，切断了水流的上溢通路，阻止水流的继续上溢。浮球阀与补气阀共同作用可靠地阻止了水流的上溢。
3.2 浮球式中心孔补气装置工作特点
3.2.1 消除补气阀的工作噪声
压板采用航空铝经机械加工制造而成，具有重轻、强度高的特点，压板自重轻复位力小，加之减震装置的限速作用，消除了O型密封圈与阀座的接触噪声，从而改善了机组的运行环境。
3.2.2 高可靠性
补气阀可靠性高，加之本装置又增设了抑制溢水的浮球阀，二者共同作用，大大提高了机组运行的安全可靠性。
a. 考虑到以后对补气阀的检修、维护的方便，浮球阀结构可更改为从上部往下安装。
b. 减震装置：需要补气时，靠真空度吸力的作用，阀门向上开启。在阀门开启过程中，减震装置对阀门有一个向下的拉力，随着阀门的开启，向下的拉力逐渐加大。到达全开位置时，阀门与上部的阀盖不接触。为了减缓关闭时的撞击，减震装置还有使阀门慢关闭的功能。吸取VOITH公司在溪洛渡电站机组的多年成功运行经验（运行稳定且使用寿命长等优点），减震器选用国际知名品牌ACE公司的ACE的液压稳速进给控制器。
c. 阀门向上的吸力和向下的拉力都是计算得出的，有一个匹配关系。减震装置必须满足这些力。如果增加弹簧，由于弹簧力的作用，势必会阻碍阀门的及时开启，起不到快速补气的作用。减震器计算结论：阀门开启时向上吸力为200Kg，最大向上吸力为650 Kg。阀门自重为32 Kg。减震器在开启时可提供165 Kg的向下拉力，并随阀门的开启，向下拉力逐渐加大，阀门的全行程为150mm。
4 改造后运行情况
大轴中心补气装置安装完成后进行了试验，补气灵敏，补气量充足，补气过程中无碰撞造成的异响。
5 结束语
滩坑水电站大轴中心补气装置改造符合工程实际，新型的浮球式中心补气装置与原有发电机组结构具有良好的适配性，避免了扩大化改造，降低了改造投入。
参考文献：
[1]冯文贵，雷洪进. 东风发电厂机组大轴中心补气装置改造[J]. 贵州水力发电，2005，（3）：54-56.doi：10.3969/j.issn.1007-0133.2005.03.013.
[2]阮凡，李金明，张冬生，等. 水轮机大轴补气系统技术改造探讨[J]. 云南水力发电，2013，（5）.doi：10.3969/j.issn.1006-3951.2013.05-030
[3]魏學锋，孙茂军，王宏程，等溪洛渡电站东电机组补气阀技术改造方案研究[J]. 人民长江，2016，（7）.doi：10.16232/j.cnki.1001-4179.2016.07.023.
[4]陈世程，方戊强. 紫坪铺水力发电厂大轴中心补气阀改造[J]. 中国机械，2015，（8）：106-106，107.
[5]姜德政. 三峡ALSTOM水轮发电机组大轴补气阀的改进[J]. 水电与新能源，2010，（2）：38-39.doi：10.3969/j.issn.1671-3354.2010.02.014.
（作者单位：浙江浙能北海水力发电有限公司）