基于模型試驗(yàn)的燈泡式水輪機(jī)壓力脈動研究

姚 丹，盧 池，李廣府，郭 娜

（東芝水電設(shè)備 （杭州） 有限公司，浙江 杭州 310020）

1 研究方法

目前，對水輪機(jī)壓力脈動的研究方法主要有4種：理論計(jì)算、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及真機(jī)測試。本文以某比轉(zhuǎn)速的燈泡式水輪機(jī)為研究對象，通過模型試驗(yàn)的方法，逐個(gè)分析轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙、空化系數(shù)、協(xié)聯(lián)關(guān)系的改變對壓力脈動的影響。

2 壓力脈動測量位置的選擇

在選擇壓力脈動測點(diǎn)時(shí)，盡可能地選擇有可能會產(chǎn)生最大壓力脈動及能夠反映出脈動特性的測量位置。對于不同的水輪機(jī)，最大壓力脈動的位置會隨著轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速的不同而改變。為了較為全面地分析燈泡式水輪機(jī)壓力脈動的特點(diǎn)，我們選擇在槳葉與活動導(dǎo)葉之間左右對稱布置2個(gè)壓力脈動測點(diǎn)，同時(shí)在尾水管處布置一個(gè)壓力脈動測點(diǎn)。

3 壓力脈動試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙對壓力脈動的影響

水電站在投入運(yùn)行后，隨著運(yùn)行時(shí)間的增多，轉(zhuǎn)輪室處的基礎(chǔ)部件會發(fā)生磨損，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間的實(shí)際間隙有可能會偏離設(shè)計(jì)間隙。

為了研究轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙對水輪機(jī)壓力脈動的影響，我們分別在設(shè)計(jì)間隙和接近二倍設(shè)計(jì)間隙的2種安裝狀態(tài)下，某一固定水頭，在不同槳葉的接近協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉開度下進(jìn)行壓力脈動試驗(yàn)。由于水輪機(jī)壓力脈動本身具有很大的隨機(jī)性和諸多不確定因素，其數(shù)值結(jié)果會存在著些許波動，于是，測量時(shí)在每個(gè)試驗(yàn)工況下均記錄了2次數(shù)據(jù)。其試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。β表示轉(zhuǎn)輪葉片角度。

由此試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：

由于轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙的改變，壓力脈動幅值雖有些變化，但其波動很小，而且水輪機(jī)壓力脈動本身也具有動態(tài)特征，在不同時(shí)刻測量的壓力脈動數(shù)值，也會存在些許差異。所以，從整體趨勢來看，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙的變化對壓力脈動幅值的影響很小，不會影響對水輪機(jī)壓力脈動性能的整體評價(jià)。

同時(shí)，對壓力脈動的主頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)槳葉和導(dǎo)葉之間處的脈動主頻為f=n/60×N，其中n為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min），N為轉(zhuǎn)輪葉片個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙的變化對槳葉和導(dǎo)葉之間處的脈動主頻沒有影響。

3.2 空化系數(shù)對壓力脈動的影響

水電站在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于受自然氣候條件影響，水頭和下游水位有可能會發(fā)生變化，電站空化系數(shù)也會隨之改變。尤其對于水頭變化幅度較大的機(jī)組，研究空化系數(shù)對壓力脈動的影響，對轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)空化安全系數(shù)的選擇、原型機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

高二的期末考，我的成績不出意外地讓父母嘆息。老媽說：“你原來很優(yōu)秀的，怎么就變成這樣了？”看著她憂傷的表情，我心里很不是滋味。

在某一固定水頭下，選取3個(gè)典型葉片角度及相應(yīng)的協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉開度，將尾水壓力由+3 m左右開始逐漸降低，分別在不同空化系數(shù)下，進(jìn)行壓力脈動測試。其試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖5所示。其中，圖中α表示導(dǎo)葉開度，β表示轉(zhuǎn)輪葉片角度，nED表示轉(zhuǎn)速因數(shù)。以下各圖中符號的含義，均如上所述。圖中橫坐標(biāo)為空化系數(shù)，主縱坐標(biāo)為壓力脈動幅值，可反映出空化系數(shù)與脈動振幅之間的關(guān)系；次縱坐標(biāo)為效率，可反映出空化系數(shù)與效率之間的關(guān)系，依此可確定出臨界空化系數(shù)σ0。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：

（1）隨著空化系數(shù)的降低，槳葉和導(dǎo)葉之間處的壓力脈動幅值逐漸增大，且當(dāng)運(yùn)行至某一空化系數(shù)時(shí)，出現(xiàn)峰值，其脈動幅值增大了2～3倍，當(dāng)空化系數(shù)小于該值時(shí)，壓力脈動將迅速減小。同時(shí)，還可看出，此時(shí)的空化系數(shù)均大于效率開始下降時(shí)所對應(yīng)的臨界空化系數(shù)σ0。

（2）隨著空化系數(shù)的降低，尾水管處的壓力脈動曲線變化較為平緩，其幅值沒有出現(xiàn)大幅度的波動。

（3）槳葉和導(dǎo)葉之間處的壓力脈動遠(yuǎn)超過了尾水管處的壓力脈動，前者的脈動幅值幾乎是后者的2～5倍。

空化系數(shù)對槳葉和導(dǎo)葉之間處的壓力脈動幅值影響很大，而對尾水管處的壓力脈動幅值影響很小。為了進(jìn)行再次驗(yàn)證，我們改變水輪機(jī)運(yùn)行水頭，在nED=0.95時(shí)再次進(jìn)行了測試。其結(jié)果是三處測點(diǎn)的壓力脈動變化趨勢均表現(xiàn)出了與nED=0.8相同的特性。

圖2 空化系數(shù)對壓力脈動幅值的影響（槳葉和導(dǎo)葉之間測點(diǎn)1）

圖3 空化系數(shù)對壓力脈動幅值的影響（槳葉和導(dǎo)葉之間測點(diǎn)2）

圖4 空化系數(shù)對壓力脈動幅值的影響（尾水管處測點(diǎn)）

圖5 空化系數(shù)對壓力脈動幅值的影響（尾水管處測點(diǎn)）

由此可以看出，對于水輪機(jī)的不同位置，空化系數(shù)對脈動的影響程度也存在著差異。燈泡式水輪機(jī)具有雙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行，沒有出現(xiàn)類似于混流式水輪機(jī)機(jī)組明顯的尾水管渦帶，可見空化對燈泡式水輪機(jī)尾水管處的壓力脈動影響較小。

同時(shí)，對不同空化系數(shù)下的壓力脈動主頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)槳葉和導(dǎo)葉之間處的脈動主頻沒有發(fā)生變化。

3.3 協(xié)聯(lián)關(guān)系對壓力脈動的影響

在電站實(shí)際運(yùn)行中，對于燈泡式機(jī)組，通常都要求在協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行。但由于某些特殊原因或條件限制，有時(shí)也需要偏離協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行。為此，我們調(diào)查了協(xié)聯(lián)關(guān)系對壓力脈動的影響。

圖6 協(xié)聯(lián)關(guān)系對壓力脈動幅值的影響

選取 3 個(gè)特征水頭（nED=0.7，nED=0.8，nED=0.95），在每個(gè)特征水頭下，選取3個(gè)典型葉片角度，分別在協(xié)聯(lián)和非協(xié)聯(lián)工況下，進(jìn)行壓力脈動試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由此試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：

（1）協(xié)聯(lián)關(guān)系對槳葉和導(dǎo)葉之間處的壓力脈動幅值影響較小。

（2）協(xié)聯(lián)關(guān)系對尾水管處的壓力脈動幅值影響很大。當(dāng)水輪機(jī)組在協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行時(shí)，其脈動幅值最小。在非協(xié)聯(lián)的情況下，在導(dǎo)葉開度小于協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉開度下運(yùn)行時(shí)，壓力脈動隨著導(dǎo)葉開度的減小，迅速增大；而在導(dǎo)葉開度大于協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉開度下運(yùn)行時(shí)，壓力脈動隨著導(dǎo)葉開度的增大，其幅值變化很小。

同時(shí)，對協(xié)聯(lián)和非協(xié)聯(lián)工況下的壓力脈動主頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)槳葉和導(dǎo)葉之間處的脈動主頻沒有變化。

4 結(jié)語

（1）轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙、空化系數(shù)、協(xié)聯(lián)關(guān)系對水輪機(jī)不同位置的壓力脈動存在著不同程度的影響。對于不同的工況，其產(chǎn)生最大壓力脈動的位置也各不相同。同時(shí)，對于水輪機(jī)的不同位置，由于各處的引起壓力脈動的脈動源不同，所以影響其脈動大小的主要因素也不盡相同。

（2）轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙的變化，對槳葉和導(dǎo)葉之間、尾水管處的壓力脈動影響不大。

（3）對于重要工況，應(yīng)進(jìn)行不同空化系數(shù)下的壓力脈動試驗(yàn)。其結(jié)果可為轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)空化安全系數(shù)的選擇及真機(jī)運(yùn)行提供重要的參考依據(jù)，避免發(fā)生空化自激現(xiàn)象。

（4）在真機(jī)運(yùn)行過程中，如果需要在非協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行，在轉(zhuǎn)輪葉片角度不變的情況下，適當(dāng)增大導(dǎo)葉開度，以避免尾水管處出現(xiàn)大幅度的壓力脈動劇增現(xiàn)象。