基于壓力測量的水輪機(jī)圓筒閥模型試驗研究

劉文杰，徐用良，趙景芬，童文波（1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；3. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

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基于壓力測量的水輪機(jī)圓筒閥模型試驗研究

劉文杰1,2,3，徐用良1,2,3，趙景芬1,2,3，童文波1,2,3
（1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；3. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

[摘要]本文介紹了改進(jìn)后的圓筒閥模型裝置結(jié)構(gòu)，通過測量圓筒閥各部位受到的水壓力，得到了一種新的研究模型圓筒閥水力性能的試驗方法。并在此裝置上對圓筒閥的水力性能試驗進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

[關(guān)鍵詞]水輪機(jī)；圓筒閥；模型試驗

0　引言

近年來，隨著水輪機(jī)閘門設(shè)計、制造和運行技術(shù)的發(fā)展，水輪機(jī)圓筒閥應(yīng)運而生，它是布置在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉之間的圓筒形閥門。圓筒閥結(jié)構(gòu)的不斷完善和在各種水輪機(jī)中的應(yīng)用實踐，它顯示出諸多明顯的優(yōu)越性[1]。此外，我國含砂河流較多，水輪機(jī)泥砂磨損問題突出，應(yīng)用圓筒閥可以較好地解決這類問題[2]。國內(nèi)許多電站都要求采用此項先進(jìn)技術(shù)。因此，圓筒閥的開發(fā)研制及模型試驗具有極其重要的作用。

上世紀(jì)末期，大電機(jī)研究所已對模型圓筒閥裝置結(jié)構(gòu)以及水力性能進(jìn)行了研究。主要采用馬達(dá)驅(qū)動和接力器驅(qū)動實現(xiàn)圓筒閥開啟和關(guān)閉，通過在絲杠上粘貼應(yīng)變片，測量圓筒閥在不同位置和導(dǎo)葉開度下的軸向操作力。本文在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將模型裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，通過測量圓筒閥所受的壓力,得到了一種新的研究圓筒閥水力性能的試驗方法。

1　模型裝置的設(shè)計

1.1提升機(jī)構(gòu)

圓筒閥的開啟和關(guān)閉通過一部電機(jī)帶動四部升降機(jī)同步升降，拉動四根操作桿帶動圓筒閥同步升降，其中四個連接桿下部與圓筒閥固定，從頂蓋和相鄰的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)連桿轉(zhuǎn)臂之間穿出，如圖1所示。

圖1　提升機(jī)構(gòu)

1.2模型裝置及筒閥閥體模型

試驗裝置為某在建水電項目模型裝置，模型轉(zhuǎn)輪直徑420mm。圓筒閥閥體模型內(nèi)徑Φ540mm, 外徑Φ556mm, 高76.68mm，壁厚8mm。

1.3傳感器布置

試驗采用美國PCB公司生產(chǎn)動靜態(tài)絕壓傳感器進(jìn)行壓力測量，在模型裝置上布置5組共10個傳感器，每組都是180度對稱分布，每組傳感器分別測量筒閥下端面PB、上端面外延PC、上端面PD、內(nèi)壁PE和外壁PF的壓力，傳感器的分布如圖2所示。

圖2　壓力傳感器布置簡圖

1.4密封結(jié)構(gòu)

由于是通過壓力的測量來分析圓筒閥的受力，筒閥密封結(jié)構(gòu)決定了試驗的成敗。在圓筒閥與座環(huán)、頂蓋以及傳感器座之間裝設(shè)密封。筒閥與座環(huán)之間的密封采用壓板把橡膠密封環(huán)壓在底環(huán)凹槽中,筒閥與頂蓋之間的密封采用成型橡膠環(huán)并用壓板壓在頂蓋上，筒閥與傳感器座之間的密封也采用成型橡膠環(huán)并用壓板壓在筒閥上。

1.5行程控制

整套裝置由一組上升和下降按鈕控制，圓筒閥全開與全關(guān)分別對應(yīng)筒閥下端面與頂蓋下端面、座環(huán)下端面平齊。整個上下行程通過編碼器和計數(shù)器進(jìn)行監(jiān)測，試驗前對計數(shù)器進(jìn)行標(biāo)定，得到圓筒閥開啟程度和計數(shù)器的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3　計數(shù)器與筒閥開度關(guān)系

2　圓筒閥模型試驗原理和試驗方案

2.1試驗原理

通過同步提升機(jī)構(gòu)控制圓筒閥的開啟和關(guān)閉，計數(shù)器控制圓筒閥開啟和關(guān)閉的位置，壓力傳感器測得不同筒閥位置和導(dǎo)葉開度下的筒閥受力。每組測點的測力桿其下部與圓筒閥固定，測力桿的上端與測力傳感器連接，傳感器電信號輸出引線至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖4所示。通過PB、PC和PD處受力，得到圓筒閥的軸向受力；通過PE和PF處受力，得到圓筒閥徑向受力。

圖4　測力桿及測量原理圖

2.2試驗方案

針對某電站的額定水頭和最大水頭所對應(yīng)的兩個不同的單位轉(zhuǎn)速，在覆蓋該電站的整個運行范圍的導(dǎo)葉開度A0=6mm，10mm，14mm，18mm，22mm，26mm 和30mm，在圓筒閥開度為100%，80%，60%，40%，20%，10%，8%，6%，4%和2%（100%為圓筒閥全開位置）時，進(jìn)行下列內(nèi)容的試驗研究：

通過圓筒閥上、下端面受力分析，計算出圓筒閥的軸向拉力及變化趨勢。

通過圓筒閥內(nèi)、外壁受力分析，計算圓筒閥的徑向受力情況。

筒閥與導(dǎo)葉關(guān)閉，對水輪機(jī)效率和流量的影響。

通過尾水管的動態(tài)壓力傳感器，分析在正常工況與飛逸工況下，尾水管壓力脈動情況。

3　模型試驗結(jié)果及分析

3.1圓筒閥軸向拉力

圓筒閥的軸向拉力系數(shù)定義為：

KRG=FαM/(r·g·π·HM·d·h)

其中：FαM——圓筒閥模型受到的軸向拉力；

HM——模型試驗水頭；

d——圓筒閥壁厚；

h——圓筒閥高度。

圖5為對應(yīng)某電站原型機(jī)最大水頭的單位轉(zhuǎn)速時，在不同導(dǎo)葉開度和不同圓筒閥開度下，圓筒閥軸向拉力試驗結(jié)果。左圖為定導(dǎo)葉開度，筒閥開度與軸向拉力的變化規(guī)律；右圖為定筒閥開度，導(dǎo)葉開度與軸向拉力的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在不同導(dǎo)葉開度下，隨著筒閥的關(guān)閉，軸向拉力的變化規(guī)律是一致，都是隨著筒閥的關(guān)閉，軸向拉力逐漸增加，在8%～10%筒閥開度范圍內(nèi)出現(xiàn)極值；隨著筒閥開度的進(jìn)一步減小，軸向拉力也隨之減小。

圖5　不同工況下圓筒閥軸向拉力試驗結(jié)果

圖6分別列出了不同導(dǎo)葉開度下，對應(yīng)某電站原型機(jī)最下水頭、額定水頭以及飛逸三個不同工況下的圓筒閥開度與軸向拉力的比較曲線?？梢钥闯觯嗤瑢?dǎo)葉開度和不同運行工況下，圓筒閥軸向拉力隨筒閥關(guān)閉規(guī)律是一致的，能量狀態(tài)下的筒閥拉力大小基本上是一樣的，而飛逸工況的圓筒閥拉力略小于能量狀態(tài)。

圖6　相同導(dǎo)葉開度下，不同工況圓筒閥軸向拉力比較

3.2圓筒閥徑向受力

通過布置在圓筒閥內(nèi)壁和外壁的壓力傳感器，能得到筒閥內(nèi)、外壁所受的徑向力。圖7為圓筒閥的徑向受力情況，左圖實線為筒閥外壁受力情況，虛線為內(nèi)壁受力情況。隨著圓筒閥的關(guān)閉，筒閥外壁受力先略有下降，進(jìn)而逐漸上升；而內(nèi)壁受力隨著筒閥的關(guān)閉逐漸減小。隨著開口的增加，外壁和內(nèi)壁受力下降得越明顯。圖7右圖為徑向受合力分析結(jié)果，筒閥受徑向力方向指向軸心，大小隨著筒閥的關(guān)閉逐漸增大。由于圓筒閥各向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁與外壁受力不一致，會使筒閥產(chǎn)生擠壓，不會使閥體產(chǎn)生傾斜。

圖7　圓筒閥徑向受力分析

圖8分別列出了不同導(dǎo)葉開度下，對應(yīng)某電站原型機(jī)最下水頭、額定水頭以及飛逸三個不同工況下的圓筒閥開度與徑向拉力的比較曲線。可以看出，在相同導(dǎo)葉開度的不同運行工況下，圓筒閥徑向拉力隨筒閥關(guān)閉規(guī)律是一致的，能量狀態(tài)下的筒閥拉力大小基本上是一樣的，而飛逸工況的圓筒閥拉力除了在筒閥即將關(guān)閉的位置外，基本上都小于能量狀態(tài)。

3.3圓筒閥關(guān)閉對水輪機(jī)流量、效率和飛逸轉(zhuǎn)速的影響

從圖9和圖10可以看出，隨著筒閥的關(guān)閉，水輪機(jī)流量、效率以及飛逸轉(zhuǎn)速都逐漸減??；隨著導(dǎo)葉開口的增加，水輪機(jī)流量、效率和飛逸轉(zhuǎn)速減小的幅度也是增加的。

圖8　不同運行工況下圓筒閥徑向拉力比較

圖10　筒閥關(guān)閉對飛逸轉(zhuǎn)速的影響

3.4尾水管壓力脈動

圖11和圖12分別為能量狀態(tài)和飛逸狀態(tài)下，圓筒閥的關(guān)閉與尾水管壓力脈動變化規(guī)律。尾水管錐管上游和下游呈現(xiàn)的規(guī)律是一樣的。在能量狀態(tài)的小開度下，尾水管壓力脈動幅值基本上不隨筒閥開度的變化而變化；在中等大小開度下，尾水管壓力脈動幅值在隨著筒閥關(guān)閉過程中出現(xiàn)一次峰值；在大開度下，尾水管壓力脈動幅值隨著導(dǎo)葉開度的關(guān)閉先下降在升高再下降。在飛逸狀態(tài)下，尾水管壓力脈動幅值隨著筒閥開度的關(guān)閉逐漸減小。

3.5模型試驗結(jié)果與水力計算比較

我們在進(jìn)行圓筒閥力特性試驗的同時，還從理論上對圓筒閥的力特性進(jìn)行了分析。采用CFD計算的手段，對圓筒閥在不同開度，不同工況下受力進(jìn)行分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，以便更加全面地認(rèn)識圓筒閥的力特性。

圖11　能量狀態(tài)下，圓筒閥關(guān)閉與尾水管壓力脈動變化規(guī)律

圖12　飛逸狀態(tài)下，圓筒閥關(guān)閉與尾水管壓力脈動變化規(guī)律

圖13　圓筒閥下端面受力的試驗值與計算值比較

4　結(jié)論

（1）改進(jìn)模型裝置采用了同步升降機(jī)、編碼器和計數(shù)器，能使模型圓筒閥在狹小的空間里同步升降和準(zhǔn)確的定位。

（2）采用壓力傳感器的測量方法，同樣能分析得到一系列圓筒閥的水力特性結(jié)果。

（3）CFD計算結(jié)果也進(jìn)一步驗證了該方法的可行性。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]王民富, 孔慶懷, 趙越. 水輪機(jī)圓筒閥的試驗研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1994(4): 42-48.

[2]趙越, 阮華福, 袁柏新, 韓曉棠. 水輪機(jī)圓筒閥試驗研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 1998(2): 69-78.

[3]應(yīng)金仁, 陳梁年, 佐藤晉作, 水輪機(jī)圓筒閥研發(fā)技術(shù)[J]. 西北水電, 2012(S1): 150-153.

[4]郭宗彥. 國外水輪機(jī)圓筒閥的發(fā)展概況[J]. 水力水電技術(shù), 1987(4): 60-64.

劉文杰（1985-），2009年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)從事水輪機(jī)測試工作，工程師。

審稿人：趙越

輔機(jī)及其他

Model Test Research of Ring Gate Based on Measuring Pressure

LIU Wenjie1,2,3, XU Yongliang1,2,3, ZHAO Jingfen1,2,3, Tong Wenbo1,2,3
(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China; 2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 3. Harbin Institute of Large Electric Machinery, Harbin 150040, China)

Abstract:This paper introduced one improved model equipment of ring gate. According to measure the water pressure for different parts of cylinder valve, one new test method to research the hydraulic performance of cylinder valve was obtained. And the corresponding hydraulic tests on the cylinder valve were researched at the model equipment

Key words:turbine; ring gate; model test

[作者簡介]

[收稿日期]2014-11-11

[中圖分類號]TK730.4+7

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0054-05