随着我国水力资源的开发，正在设计和施工的巨型和大型水电站、抽水蓄能电站越来越多，因而水力过渡过程的问题日益突出。该过程不仅影响机组的调保参数、调压室涌浪水位，甚至对水电站开发方式、总体布置产生影响。相对于其他的工程措施而言，优化导叶关闭规律是解决水力过渡过程问题的首选手段。因为它不需要增添其他设备或增加工程量，增大工程投资。为了探讨导叶关闭规律所起的作用，本文将从水电站水力过渡过程的基本理论出发，并结合国内某些大型水电站设计中迂到的问题，论述导叶关闭规律对水力过渡过程的作用及影响、导叶关闭规律的优化、导叶关闭规律安全有效实施的条件等，以及实际工程中导叶关闭规律的实施效果。

一、导叶关闭规律的作用及影响

　　在有关教科书^［1］和设计手册^［2］中，对导叶关闭规律作用及影响的论述通常局限于水轮发电机组的调保参数，即通过调节保证计算和分析，选定适当的导叶启闭时间和方式，解决压力输水系统水流惯性、机组惯性力矩和调整特性三者之间的关系，使水击压力和机组转速上升值均在安全经济合理的允许范围内，必要时可进行导叶分段关闭的计算。并传统地认为导叶关闭规律对调压室的水位波动没有影响，可以与机组的过渡过程分开计算。而且在调压室整体模型试验中往往不模拟导叶关闭规律，手动或弹簧驱动阀门以截断水流。
　　然而随着我国地下式大型和巨型水电站的设计和建设，水电站的压力输水系统越来越复杂，规模越来越大，通常设有上游调压室、下游调压室或上、下游双调压室。因此需要进行更详细、更合乎实际的水力过渡过程模型试验和仿真计算，以保证工程的安全可靠、经济合理。通过武汉水利电力大学对小湾、大朝山、天堂、枸皮滩等水电站有关的工作，发现导叶关闭规律不仅影响机组的调保参数，沿管轴线的最大、最小动水压力分布；而且影响阻抗式调压室的水位波动，作用在调压室底板上的压差以及流经阻抗孔口的最大流速等。下面将列举典型的水力过渡过程模型试验结果和仿真计算结果，进行讨论和分析，说明导叶关闭规律作用及影响。
　　(1)从图1(a)和(b)所示的小湾水电站在甩负荷工况下机组转轮出口处测压管水头变化过程，可知：该压力的最小值取决于与简单式尾水调压室最低水位波动的叠加，因此机组的过渡过程并不是总能与调压室水位波动分开；在不同的导叶关闭规律作用下，波动叠加的双向振幅不同。在直线规律下，双向振幅约5.0m，以致机组转轮出口处最小测压管水头为-17.55m，而在折线规律下，即关至空载开度关闭速度放缓，双向振幅约1.5m，所以机组转轮出口处最小测压管水头仅有-15.24m。两者相差2.31m，这对于转轮出口处的真空度来说，可能产生是否满足规范的质的变化。

图1　小湾水电站三台机组甩负荷时尾水管进口处测压管水头波动过程

(2)从图2(a)和(b)所示的水湾水电站在甩负荷工况下最大、最小测压管水头沿管轴线分布，可知：在直线规律下，上游侧最小测压管水头沿管轴线呈二次曲线分布；而在折线规律下，则近似呈直线分布，并且接近恒定流压坡线。这种类似的现象在抽水蓄能电站中更为突出，从图3(a)和(b)所示的天堂抽水蓄能电站甩负荷工况下最大、最小测压管水头铅笔轴线分布，可知：在直线规律下，上游侧最大测压管水头沿管轴线呈三次曲线分布；而在折线规律下，则呈直线分布。产生上述两点影响的主要原因可以为导叶关闭终了的水击现象所揭示，在通常概化直线关闭规律下，终了后的水击现象呈等幅振荡；而关至空载开度放缓关闭速度，水击波未能全反射，使得水击压力以较快的速度衰减。真实的导叶关闭规律即使以等速度一直移动到空载开度附近(d点)也开始减速，直到e点走完全行程，导叶全关(参见图(4))。所以在水力学模型试验和仿真计算中应按实际的导叶关闭规律来模拟，而不能按过去解析计算的方法用概化的直线关闭规律来代替。

图2　小湾水电站三台机组甩负荷时沿管轴线测压管水头包络线

图3(a)　天堂抽水蓄能电站导叶直线关闭下沿管轴线测压管水头包络线

图3(b)　天堂抽水蓄能电站导叶折线关闭下沿管轴线测压管水头包络线

图4　导叶接力器关闭曲线
　　(3)从图5(a)和(b)所示的大朝山水电站在甩负荷工况下实测的阻抗孔口下方测压管水头变化过程，可知：在直线规律下该处的最小压力比折线规律下小2.4m，导致作用在调压室底板上向下最大压差也大1.4m(参见图6(a)和(b))。其主要原因是阻抗式调压室对水击波反射不完全，阻抗孔口下方的压力波动仍然受导叶关闭规律较大的影响，致使作用在调压室底板上动荷载也受其影响。除此以外，流经阻抗孔口的最大流速也取决于导叶关闭的快慢及规律，导叶关闭愈快，流速愈大，有可能引起局部汽蚀。尤其对于差动式调压室，导叶关闭过快，有可能通过阻抗孔口的补水不足，升管水体放空，大量进气。在乌江枸皮滩水电站阻抗式尾水调压室整体模型试验中也发现导叶关闭规律对调压室的工作参数以及局部的流态有着明显的影响。

图5　大朝山水电站模型试验下实测的阻抗孔口下方测压管水头波动过程

图6　大朝山水电站模型试验下计算的作用调压室底板上压差波动过程

　　(4)由于调压室水位波动周期通常比导叶关闭时间长得多，所以在导叶关闭期间，调压室水位变化不大，当水位达到最大值或最小值时，实际上总是在机组进入空载工况以后^［3］。大朝山水电站尾水调压室最低涌浪水位就是利用导叶关闭后机组重新进入空载工况来满足设计(参见图(7)(a)和(b))，否则阻抗孔口进气，甚至漏空底板。

图7　大朝山水电站在优化的导叶关闭规律作用下调压室的水位波动过程

上述四方面典型例子说明导叶关闭规律的作用和影响是很大的，甚至包括关闭末了的缓冲作用以及机组重新进入空载工况。所以在模型试验和仿真计算中应特别慎重地优化和选择导叶关闭规律，并做到与实际调节系统的条件最大程度地相近。

三、导叶关闭规律的优化

　　水电站水力过渡过程涉及的问题越多，导叶关闭规律的优化越复杂。文献［4］以简单管为例并推广到串联管系统和分岔管系统，介绍了反算法确定最优关闭规律的思路和步骤。这种将关闭过程中水击压力尽可能拉平的思想无疑是正确的，但反算得出的最优关闭规律必须由灵活、可靠的控制装置来实施。对于水电站水力过渡过程而言，除考虑蜗壳和尾水管进口水击压力之外，还要考虑机组转速最大上升值，甚至要兼顾沿管轴线压力分布和调压室的工作参数及特性。所以在多目标的前提下采用反算法确定导叶最优关闭规律是十分困难的，下面仍按正算模拟方法来论述导叶关闭规律的优化。
　　(1)导叶关闭规律的优化通常以直线关闭为基础，在概化的直线关闭规律中，T^′_s一般为5～10秒，对大容量机组可至15秒，有特殊要求时还可延长^［2］。对于抽水蓄能电站可逆式机组导叶全行程关闭时间为20秒，对大容量可逆式机组为30秒以上，如广州抽水蓄能电站。在此需要进一步强调的是采用直线关闭规律进行数值模拟仿真计算时应该考虑关闭末了的缓冲作用，这对于减轻波动叠加的振幅、减小反向水击压力是非常有益的。必要时可进一步延长空载开度至零开度的关闭时间。
　　(2)至今水电站所采用的导叶折线关闭规律通常为两段折线关闭，不包括关闭末了的缓冲延长段。要采用折线关闭，首先应确定折线的规律，其次是折点的位置。
　　折线的规律主要取决于水轮机的类型和比转速：对于低比速水轮机，由于在等开度线上单位流量Q¹₁随着单位转速n¹₁升高而减少，在机组甩负荷时，即使导叶开度不变，随着转速升高、过流量减少，在机组上游侧产生正水击，下游侧产生负水击。为了减轻水击压力，所以通常采用先慢后快折线关闭规律；对于高比速水轮机，等开度线上Q¹₁是随n¹₁升高而增加的，在机组甩负荷时，若导叶开度不变，随着转速升高、过流量增大，在机组上游侧产生负水击，下游侧产生正水击，所以可采用先快后慢折线关闭规律；对于中比速水轮机，等开度线上Q¹₁基本上不随n¹₁变化而变化，所以可采用直线关闭规律或先快后慢折线关闭规律，视具体的情况而定；对于可逆式水轮机，由于机组的飞逸系数不大，即使是导叶拒动，机组转速升高通常不起控制作用，所以可延长导叶关闭时间，减轻水击压力。
　　在先快后慢折线关闭规律下，(图8)折点1的位置通常影响蜗壳处水击压力的变化过程和极值Hpmax，以及机组转速变化过程和极值βmax。通过大量实际工程的计算和分析，建议折点1的时间可取为t₁=T_c+t_r，其中T_c和t_r分别是调节迟滞时间和机组上游侧的相长，相对开度τ₁=0.65τ₀，其中τ₀是额定水头下发出额定出力时的相对开度(参见图(8))。采取上述建议的主要理由是：当t₁<T_c+t_r，减压反射波未传到机组端，放缓导叶关闭速度，并不能减小H_p，而增大了βmax;相反，当t₁>T_c+t_r，导叶关闭以较快速度维持不变，可能导致Hpmax太大，不能满足调保要求。总之，与直线关闭规律相比，能较大地降低βmax，但Hpmax略有提高，若Hpmax不起控制作用，则折点1的相对开度可减小到τ₁=0.6～0.55τ₀。折点2的位置，即关闭末了段的起始点，τ₂等于空载开度，t₂使得折线关闭的有效时间接近直线关闭的有效时间。该段的有无和长短主要影响尾水管进口处的最小压力Hsmin，其次是βmax。当Hsmin不满足规范要求，或者为了减轻与尾水调压室波动叠加的影响，可适当地延长接力器缓冲时间，成为三段折线关闭。

图8　导叶接力器折线关闭规律

四、导叶关闭规律的实施条件

　　导叶关闭规律的实施条件取决于调速器的类型。直线关闭规律，包括接力器端部的缓冲段在任何一种调速器中，无论机调、电调、还是微机调速器，都是容易实现的，并且关闭时间在其范围内能任意调整。若需延长关闭末了缓冲段可与制造厂家协商，也是容易实现的。而采用分段关闭规律，需要在调速器中装有分段关闭装置。与直线关闭相比，需增大主配压阀的直径和调速功，甚至提高工作油压的等级。两段关闭接力器行程拐点位置一般在0～70%相对开度的范围内能任意调整，如YDT-1800A型电液调速器。所以折点1的位置取在65～60%相对开度附近是完全可行的，并且现代的调速器能够安全有效地实现选定的导叶分段关闭规律。
　　导叶关闭规律是按机组工作范围内最大相对开度确定的。当开度小于最大相对开度时，在关闭规律不变的前提下，其关闭时间需按比例折减，无论直线关闭，还是分段关闭(参见图9(a)和(b))。其结果必然是最大相对开度下甩负荷是机组转速升高的控制工况，而其他工况的机组转速升高值将小于或远小于其控制值，未能充分发挥机组强度作用，并且加剧了压力管道的水击压力。即通常所指的：机组转速升高最大值发生在设计水头下甩全负荷，蜗壳和压力管道最大动水压力发生在最大水头下甩全负荷。

图9　不同开度下导叶关闭时间的折算

若导叶关闭规律不是按某一固定的模式，而是随着工作水头的变化以及转速升高极限值来改变导叶关闭时间和规律，就有可能较大地改善调节保证条件，带来巨大的经济效益。文献［5］介绍了国外采用导叶关闭规律非固定模式试验曲线(参见图10)，说明采用微机调速器可以改变导叶关闭规律，实现上述的目标。现代微机调速器均具有水头信号输入功能，包括我国自行研制的微机调速器，如SJ-700系列。所以在安全可靠的前提下，应尽快地推广运用导叶关闭规律非固定模式的调节技术，提高我国水电站设计和运行水平。

图10　文献［9］介绍的导叶关闭规律非固定模式试验曲线

五、结束语

　　(1)导叶关闭规律的作用是明显的，这种作用不仅包括已被水电站水力过渡过程计算所广泛采用的导叶有效关闭时间、直线关闭规律、折线关闭规律等，而且包括关闭末了的缓冲段以及随后回复到空载开度。它们既决定着机组的调保参数、沿管轴线的压力分布等，又在很大的程度上影响着调压室的工作参数，尤其对阻抗式调压室和差动式调压室。
　　(2)导叶关闭规律的优化主要取决于水轮机的类型、调保参数的限制、有压管道系统的水击特性以及调压室的类型和布置等。因此优化的过程应兼顾各方面的要求，在充分利用机组允许的转速最大上升率的前提下，尽可能减小水击压力，加快波动的衰减，达到安全经济合理的目的。
　　(3)在电液调速器和微机调速器广泛运用的现阶段，优选的导叶关闭规律是能安全有效地实现。至于折点整定产生的偏差，以及实际的关闭规律与计算的之间可能发生的偏差，均可通过敏感性分析来解决。通常相对开度±5%，时间±0.1s偏差对计算结果并不带来大的影响。关于利用微机调速器，按工作水头等参数的变化来改变导叶关闭时间和规律，是值得认真研究的，包括文献［4］提到的反算法。这对提高我国水电站设计和运行水平，意义重大。

参考文献

　［1］　马善定、汪如泽主编，水电站建筑物，第二版，北京：中国水利水电出版社，1996.
　［2］　水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册-水力机械，北京：水利电力出版社，1983。
　［3］　Г.И.克里夫琴科主编，常兆堂等译，水电站动力装置中的过渡过程，北京：水利出版社，1981。
　［4］　Wylie,E.B., V.L.Streeter, Fluid Transients in Systems. Prentice-Hall Inc.(UK),1993.
　［5］　常兆堂、姜之琦、陈仲华编著，水轮机调节系统原理试验与故障处理，北京：中国电力出版社，1995。