混流式水輪機(jī)壓力脈動評價(jià)方法研究

桂中華，樂振春，董陽偉，唐擁軍，徐洪泉，陳 瑞

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100038）

0 引言

眾多研究成果[1，2]表明，尾水管的水壓力脈動是影響水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的主要因素之一，水輪機(jī)尾水管的壓力脈動不僅會引起機(jī)組的振動、出力的擺動，而且還會造成葉片裂紋和尾水管壁撕裂等，嚴(yán)重時(shí)甚至還會引起水力機(jī)組和水工建筑物的共振[3，4]，直接威脅到電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，長期以來在水輪機(jī)模型研制階段就非常重視尾水管壓力脈動的研究，并在水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)都規(guī)定了壓力脈動相對幅值ΔH/H的允許值，作為驗(yàn)收和評價(jià)該水輪機(jī)穩(wěn)定性的依據(jù)。

近年來，隨著我國大型水電站的不斷開發(fā)，機(jī)組的容量和運(yùn)行水頭變幅范圍不斷增大，采用以往尾水管壓力脈動ΔH/H作為驗(yàn)收和預(yù)測機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性已不再合適。本文針對水頭變幅范圍大的混流式水輪機(jī)，研究了其壓力脈動與振動穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系，并對大變幅混流式水輪機(jī)壓力脈動在不同水頭段采用不同ΔH/H作為驗(yàn)收進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。

1 壓力脈動驗(yàn)收及評判的現(xiàn)狀

目前在水輪機(jī)壓力脈動現(xiàn)場測試驗(yàn)收試驗(yàn)中，一般在尾水管錐管距進(jìn)口L處的上、下游側(cè)（+Y、-Y）布置兩個測點(diǎn)（就混流式水輪機(jī)，L=0.3D2，D2為轉(zhuǎn)輪葉片低壓邊與下環(huán)交點(diǎn)的直徑）[5]，測量各工況的壓力脈動，進(jìn)而研究和預(yù)測水輪機(jī)尾水管壓力脈動與機(jī)組振動問題，并將該測點(diǎn)各工況的壓力脈動相對幅值ΔH/H作為驗(yàn)收和評價(jià)該水輪機(jī)穩(wěn)定性的依據(jù)。

表1中列出國內(nèi)外一些廠家對壓力脈動的保證值，從表中可見，國內(nèi)外不同廠家提出的壓力脈動保證值都不相同。目前我國大多用戶對中型電站要求壓力脈動相對雙振幅值ΔH/H≤7%；對于大型電站要求壓力脈動相對雙振幅值ΔH/H≤5%。但由于各個電站的具體情況不同、參數(shù)不同、對不同的電站要求相同的或非常相近的壓力脈動值已經(jīng)不能滿足電廠穩(wěn)定運(yùn)行的需要。特別是近年來，我國大變幅巨型水輪機(jī)數(shù)量的增大，這一問題越來越突出。

2 壓力脈動評價(jià)方法研究

2.1 尾水管壓力脈動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ΔH/H存在的局限性

由于我國的水電站通常要兼顧防洪、灌溉、供水、航運(yùn)和發(fā)電等多項(xiàng)任務(wù)，因此電站的水頭變幅較大，如三峽、大朝山、天生橋Ⅰ級、小浪底、五強(qiáng)溪、巖灘等其最高水頭與最小水頭的比值都超過了1.6。近年來，大型混流式水輪機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，水頭變幅較大的機(jī)組，采用統(tǒng)一的壓力脈動ΔH/H值來評價(jià)穩(wěn)定性是很不夠的，因?yàn)橥粋€ΔH/H值，高低水頭對機(jī)組的穩(wěn)定性影響大不一樣。

表1 國內(nèi)外部分廠家對尾水管壓力脈動的保證值Tab.1 Draft tube pressure pulsation guarantee value of some manufacturers in domestic and overseas

下面就以某機(jī)組在升水位過程中的實(shí)測結(jié)果來說明同一個ΔH/H在高低水頭時(shí)對機(jī)組穩(wěn)定性的不同影響。

圖1 某機(jī)組不同水頭下壓力脈動、振動和擺度變化趨勢Fig.1 Variation trend of pressure pulsation，vibration and run-out of a unit at different heads

某電站運(yùn)行水頭變幅大（最大水頭113.0m，額定水頭80.6m，最小水頭61.0m），又擔(dān)任調(diào)峰任務(wù)，負(fù)荷變化大，機(jī)組運(yùn)行條件比較復(fù)雜，為了解真機(jī)在不同運(yùn)行水頭下的壓力脈動、振動、擺度與噪聲等穩(wěn)定性參數(shù)，劃分機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域和指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行，該電廠組織開展了一系列的升水位機(jī)組穩(wěn)定性與能量性能試驗(yàn)。圖1是某機(jī)組在不同水頭下（83m、96.7m和104.5m）壓力脈動、振動和擺度的變化情況，通過對比可以看出：

（1）隨著水頭的升高，尾水管（測點(diǎn)距轉(zhuǎn)輪出口約0.3D2處）壓力脈動相對混頻幅值呈下降的趨勢，尾水管渦帶區(qū)逐漸向高負(fù)荷擴(kuò)展。

（2）隨著水頭的升高，水導(dǎo)擺度混頻幅值呈上升的趨勢。

（3）隨著水頭的升高，頂蓋水平振動和上機(jī)架水平振動都呈上升的趨勢。

該機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著水頭的升高，壓力脈動相對值減少，而機(jī)組振動卻增大。說明壓力脈動相對值低的高水頭，水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性卻并不好。因此，水頭變幅大的機(jī)組，不能采用統(tǒng)一的壓力脈動ΔH/H值來評價(jià)機(jī)組的穩(wěn)定性。

2.2 ΔH作為水壓脈動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不足

隨著水頭的升高，ΔH/H降低，機(jī)組振動反而增加，這是因?yàn)闄C(jī)組的振動與激振力成正比，而激振力是與壓力脈動絕對值ΔH而不是相對值ΔH/H成正比。因此用ΔH來評價(jià)機(jī)組穩(wěn)定性比ΔH/H要合理。

圖2為根據(jù)該機(jī)組升水位實(shí)測數(shù)據(jù)整理的結(jié)果。其中圖2（a）為不同水頭下ΔH/H對機(jī)組振動的影響，高、低水頭上機(jī)架水平振動的λ/（ΔH/H）值之比為2.43，高、低水頭頂蓋水平振動的λ/（ΔH/H）值之比為2.27；圖2（b）為不同水頭下ΔH對機(jī)組振動的影響，高、低水頭上機(jī)架水平振動的λ/（ΔH）值之比為1.53，高、低水頭頂蓋水平振動的λ/ΔH值之比為1.47。從數(shù)據(jù)分析來看，用ΔH作為機(jī)組穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，高水頭時(shí)振動與壓力脈動比值與低水頭時(shí)相比縮小了不少。由此看來，用ΔH評價(jià)振動比ΔH/H的確更為合理。

但從圖2（b）曲線的發(fā)展趨勢可以看出，λ/ΔH比值仍隨水頭上升而增大，也就是說高水頭時(shí)的ΔH對機(jī)組振動的影響仍比低水頭要大?？赡茉蚴俏菜軌毫γ}動不能反映作用在轉(zhuǎn)輪上的全部作用力。

2.3 壓力脈動評價(jià)方法的討論

從以上分析可以得知，單純的ΔH/H或ΔH都不能表征原型機(jī)組振動穩(wěn)定性水平。對于同一個壓力脈動值在高水頭所引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象要比低水頭時(shí)嚴(yán)重。但對于這一問題的解釋，目前還缺少統(tǒng)一的認(rèn)識。由于機(jī)組振動穩(wěn)定性水平是由激振力的大小和頻率以及機(jī)組振動部件的靜動力響應(yīng)特性兩個方面共同決定的。作用在機(jī)組上的激振力也不僅僅只有尾水管壓力脈動一種，人們目前所關(guān)注的尾水管壓力脈動不能反映作用在轉(zhuǎn)輪上的全部作用力，而且它也不一定具有決定性的作用。因此，在關(guān)注機(jī)組振動穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)全面關(guān)心各種主要激振力的綜合作用結(jié)果。

圖2 某機(jī)組振動與壓力脈動的關(guān)系Fig.2 Relation between vibration and pressure pulsation of a unit

在不同水頭下壓力脈動與振動的關(guān)系還未研究清楚之前，評價(jià)水頭變幅大的混流式水輪機(jī)的壓力脈動時(shí)，宜根據(jù)水頭和負(fù)荷，將運(yùn)行區(qū)劃分成若干小區(qū)域，對每一區(qū)域分別制定ΔH/H最大允許值作為壓力脈動的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。按照這一思路，制定了某機(jī)組尾水管壓力脈動允許值如表2所示。

表2 某機(jī)組尾水管壓力脈動允許值Tab.2 Permissible value of draft tube pressure pulsation of a unit

3 結(jié)束語

尾水管壓力脈動是影響混流式水輪機(jī)運(yùn)行振動穩(wěn)定性的主要因素之一，也是反映轉(zhuǎn)輪性能的重要指標(biāo)之一。研究制定尾水管壓力脈動的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)非常重要。本文通過某機(jī)組升水位試驗(yàn)，分析不同水頭下壓力脈動變化趨勢與機(jī)組振動之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論。

（1）對于同一個壓力脈動值ΔH/H，在高水頭所引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象要比低水頭時(shí)嚴(yán)重，因此，對于水頭變幅大的機(jī)組，已不能采用統(tǒng)一的壓力脈動ΔH/H值來評價(jià)機(jī)組的振動穩(wěn)定性。

（2）用ΔH評價(jià)原型機(jī)組振動比ΔH/H更為合理，但高水頭時(shí)ΔH對機(jī)組振動的影響仍比低水頭要大。

（3）單純的ΔH/H或ΔH都不能表征原型機(jī)組振動穩(wěn)定性水平，在現(xiàn)有技術(shù)水平下，對于水頭變幅大的混流式水輪機(jī)，宜根據(jù)水頭和負(fù)荷，將運(yùn)行區(qū)劃分成若干小區(qū)域，對每一區(qū)域分別制定ΔH/H最大允許值作為壓力脈動的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。