安裝調(diào)壓閥對(duì)水輪機(jī)效率影響試驗(yàn)研究

王修禮，王柏柏，周同旭，董 麟,張振中

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司國(guó)家能源中小水電設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300180）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，調(diào)壓閥技術(shù)和性能得到了快速的發(fā)展和提高，使用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井在水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)用越來越廣泛，得到很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

調(diào)壓閥的安裝，通常在水輪機(jī)蝸殼開孔安裝調(diào)壓閥進(jìn)水管，然后把水排進(jìn)水輪機(jī)尾水管。這樣對(duì)水輪機(jī)的流道有一定的破壞，對(duì)水輪機(jī)的性能是否產(chǎn)生不利的影響，影響程度如何，一直是用戶關(guān)注的問題，本試驗(yàn)旨在通過模型試驗(yàn)推導(dǎo)出具體的定量結(jié)果。

通過對(duì)安裝調(diào)壓閥的某電站進(jìn)行CFD三維定常湍流計(jì)算[1]，得出如下結(jié)論：流場(chǎng)分布相同，對(duì)水力性能影響甚微，理論計(jì)算結(jié)果效率下降0.02%。

水輪機(jī)的性能研究是一門試驗(yàn)科學(xué)，為驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，解決用戶關(guān)切，通過模型試驗(yàn)對(duì)安裝調(diào)壓閥前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，并通過試驗(yàn)推導(dǎo)出對(duì)水輪機(jī)效率影響的推薦公式。

2 調(diào)壓閥的安裝位置布置尺寸

試驗(yàn)在天津電氣科學(xué)研究院有限公司的國(guó)家能源中小水電設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該臺(tái)的精度為水輪機(jī)效率綜合誤差小于0.25%。

試驗(yàn)參數(shù)如表1：

表1 試驗(yàn)參數(shù)

調(diào)壓閥安裝位置和布置尺寸圖1：

調(diào)壓閥進(jìn)口直徑與蝸殼進(jìn)口直徑的比例為0.3，可以滿足一般機(jī)組泄流的要求。根據(jù)調(diào)壓閥的流量特性，選擇的調(diào)壓閥一般要求能夠卸掉機(jī)組超過空載流量以上的流量。

圖1 調(diào)壓閥安裝位置和布置尺寸

3 效率試驗(yàn)

3.1 效率試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)水頭：H=8 m

單位轉(zhuǎn)速范圍：n11=70～200 r/min

單位流量范圍：Q11=1 000～1 850 L/s

對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍：n=650～1 600 r/min

對(duì)應(yīng)流量范圍：Q=0.30-0.64 m3/s

效率試驗(yàn)選擇在槳葉為Φ=+50，水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度從A0=30°到A0=50°以5°為梯度進(jìn)行。效率試驗(yàn)結(jié)果以效率曲線表示。

3.2 效率試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)調(diào)壓閥安裝前后水輪模型機(jī)三種情況下效率試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得出僅蝸殼處開孔，效率值會(huì)降低0.1%～0.3%，完全安裝調(diào)壓閥后（再加上尾水管開泄流孔），效率會(huì)降低0.2%～0.4%。隨著流量的增大，相應(yīng)的損失也逐漸增大，在尺寸一定的情況下，局部損失與流速的平方成正比，也就是與流量的平方成正比，換算成與水頭的比值，即換算成效率的損失與單位流量的關(guān)系，效率損失用公式表達(dá)為：

式中：△η：安裝調(diào)壓閥后試驗(yàn)效率損失；

KT：?jiǎn)挝涣髁勘硎镜男蕮p失系數(shù)；

KTS：渦殼進(jìn)口單位流量表示的效率損失系數(shù)；

Ds：渦殼進(jìn)水口直徑；

Q：水輪機(jī)試驗(yàn)流量；

Q11：水輪機(jī)的單位流量；

H：試驗(yàn)水頭。

試驗(yàn)后分別計(jì)算出每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的KTS，具體試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

僅在蝸殼處開孔時(shí)的效率損失系數(shù)的平均值：

完全安裝調(diào)壓閥后效率損失系數(shù)值：

效率損失與渦殼直徑、水頭和流量相關(guān)，不同水頭段轉(zhuǎn)輪直徑D1與渦殼進(jìn)口直徑Ds比值變化較大，因此把損失系數(shù)KT（以轉(zhuǎn)輪直徑D1表示的單位

流量）換算成KTS（以渦殼進(jìn)口直徑Ds表達(dá)的渦殼進(jìn)口單位流量）更容易表達(dá)影響特性。換算關(guān)系為：

效率試驗(yàn)典線見圖2～圖5。

圖2 在蝸殼處開孔安裝調(diào)壓閥效率曲線對(duì)比

表3 完全安裝調(diào)壓閥效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)（η 前：未安裝閥門，η2：僅蝸殼處連接閥門）

從圖2曲線上可以看出，各A0導(dǎo)葉開度下，效率影響雖然很小，但都有所下降。

圖3 在蝸殼處開孔安裝調(diào)壓閥單位流量曲線對(duì)比

從曲線上可以看出，各A0導(dǎo)葉開度下，效率影響依然很小，但影響略有增加。

從曲線上可以看出，各A0導(dǎo)葉開度下，單位流量影響還是很小，一般都在0.1%，可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

水輪機(jī)安裝調(diào)壓閥，在渦殼上開孔安裝調(diào)壓閥進(jìn)水管，在尾水管水平擴(kuò)散段開孔安裝調(diào)壓閥出水管，水輪機(jī)水力效率略有下降，對(duì)單位流量和單位轉(zhuǎn)速的影響可以忽略不計(jì)，效率下降數(shù)值在0.1%～0.4%的范圍內(nèi)，可按下列公式近似計(jì)算：

式中：KTS為效率影響系數(shù)。

本次試驗(yàn)條件下，KTS=0.2138。

DS為渦殼進(jìn)口直徑

一般情況下，水頭段在100 m以上的機(jī)組，效率影響值在0.1%以下，可以忽略不計(jì)； 水頭段在100 m以下的機(jī)組，流量相對(duì)較大，可以按上式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)流量和轉(zhuǎn)速的影響可以忽略不計(jì)。

[1]馮志丹.老撾某電站調(diào)壓閥對(duì)水輪機(jī)水力性能的影響[M]//中國(guó)水利發(fā)電工程學(xué)會(huì)水利機(jī)械專業(yè)委員會(huì)，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)水電設(shè)備專業(yè)委員會(huì)，中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)水輪機(jī)專業(yè)委員會(huì).水電設(shè)備的研究與實(shí)踐：第20次中國(guó)水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京：中國(guó)水利水電出版社，2015.