探討水輪機(jī)尾水管內(nèi)部的水壓力脈動(dòng)

【摘要】本文主要研究了尾水管渦帶在部分負(fù)荷、滿負(fù)荷和超負(fù)荷工作狀態(tài)下的特性參數(shù)變化，得到了水輪機(jī)尾水管內(nèi)部的水壓力脈動(dòng)頻率與漩渦周期之間的關(guān)系，提出了消除尾水管渦帶的措施。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；尾水管；壓力脈動(dòng)；渦帶

1.引言

2013年柘林水電廠二號(hào)機(jī)組出現(xiàn)異常振動(dòng)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)主要由水力干擾引起，而水力干擾一般有機(jī)組過流部件的流道不均勻造成的水力隨機(jī)振動(dòng)，上下止漏環(huán)間隙不對(duì)稱產(chǎn)生的自激振動(dòng)、高水頭低負(fù)荷尾水渦帶引起的低頻振動(dòng)。通過停機(jī)與帶負(fù)荷試驗(yàn)，檢查主軸密封，并對(duì)尾水壓力、機(jī)組振動(dòng)頻率、頂蓋壓力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，上游水位60.72m，下游水位24.80m，在尾水管內(nèi)出現(xiàn)中心壓力低，四周壓力高的偏心渦帶，引起尾水管內(nèi)水流的低頻壓力脈動(dòng)，它傳遞到尾水管臂、轉(zhuǎn)輪、頂蓋、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼，引起有關(guān)部件（管）的振動(dòng)或擺動(dòng)，為此產(chǎn)生渦帶振動(dòng)。

2.尾水管內(nèi)部水壓力脈動(dòng)研究

2.1部分負(fù)荷

2.1.1渦帶的表現(xiàn)

起源于泄水錐的水輪機(jī)尾水管渦帶呈現(xiàn)螺旋狀，而且輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)方向，此時(shí)，尾水管渦帶導(dǎo)致水輪機(jī)的其他部位產(chǎn)生較大的脈動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生水輪機(jī)的出力波動(dòng)和巨大的軸向推力。尾水管內(nèi)螺旋狀渦帶如圖1所示。

2.1.2尾水管內(nèi)的壓力分布

尾水管內(nèi)按照時(shí)間平均的壓力是向中心不斷減小的，由于不對(duì)稱渦帶的存在，水流也是不對(duì)稱的，尾水管內(nèi)同一半徑上的壓力分布趨勢(shì)只能通過瞬時(shí)測(cè)得的壓力反應(yīng)，渦核內(nèi)部空腔外的區(qū)域壓力沿半徑減小的方向快速降低，渦核外部壓力沿半徑減小的方向緩速減小。而且空蝕工況下的壓力比非空蝕工況下的壓力降低的小，沿著尾水管的中心，大半徑段壓力的最大值出現(xiàn)在彎肘段處，小半徑壓力的最大值出現(xiàn)在直錐段處。

2.1.3壓力脈動(dòng)的頻率

在部分負(fù)荷下，f轉(zhuǎn)總是大于f渦，自由水面、吸出高度、水頭對(duì)頻率的影響可以忽略不計(jì)，這兩個(gè)頻率的實(shí)際測(cè)量比值一般在0.26-0.39之間。

2.1.4振動(dòng)的振幅

（1）試驗(yàn)水頭的影響。在空蝕系數(shù)和工況點(diǎn)保持不變的情況下，振動(dòng)振幅在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)是相同的，與試驗(yàn)水頭是無關(guān)的。（2）自由水面的影響。由于尾水箱頂部氣墊具有緩沖作用，因此在吸上真空高度不變的情況下，尾水位對(duì)力矩脈動(dòng)和水壓力脈動(dòng)是沒有影響的。（3）吸出高度的影響。由于汽水混合物和過度空蝕阻尼作用和較強(qiáng)的穩(wěn)定性，工況點(diǎn)保持不變的前提下，在高吸上真空高度值時(shí)，脈動(dòng)的振幅在很大的范圍內(nèi)都是一個(gè)常數(shù)，脈動(dòng)的振幅隨著吸上真空高度值的減小而增加。（4）補(bǔ)氣的影響。在吸上真空高度值比較高的情況下，補(bǔ)氣后力矩脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)的振幅明顯大于沒有補(bǔ)氣時(shí)脈動(dòng)的振幅。而在有強(qiáng)烈的空腔渦帶存在，吸上真空高度值較小的情況下，補(bǔ)氣后力矩脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)的振幅明顯小于沒有補(bǔ)氣時(shí)脈動(dòng)的振幅。水壓力脈動(dòng)最強(qiáng)的測(cè)點(diǎn)，補(bǔ)氣后壓力脈動(dòng)振幅下降的最大。

2.1.5脈動(dòng)相位的關(guān)系

測(cè)點(diǎn)之間幾何上的角度與脈動(dòng)相位是不相等的，在沒有補(bǔ)氣且吸上真空高度值的情況下，有的測(cè)點(diǎn)相位之間甚至相差90度。轉(zhuǎn)輪下游和上游相位一般相差20度。

2.1.6螺旋渦帶對(duì)轉(zhuǎn)輪、蝸殼和鋼管內(nèi)水流的影響

尾水管內(nèi)部的水壓力脈動(dòng)會(huì)對(duì)通過轉(zhuǎn)輪的水流、蝸殼的水流和壓力鋼管中的水流造成一定影響，水流的頻率與渦帶旋轉(zhuǎn)的頻率相同，還會(huì)引發(fā)鋼管劇烈震動(dòng)。在工況點(diǎn)遠(yuǎn)離無旋出流線時(shí)，由于在泄水錐部位，渦帶偏心距增大，導(dǎo)致臨近葉道內(nèi)水流量減小，轉(zhuǎn)輪中和住轉(zhuǎn)輪前的水壓力脈動(dòng)會(huì)增大。

2.2超負(fù)荷和滿負(fù)荷

2.2.1渦帶的表現(xiàn)。渦帶在超負(fù)荷下和滿負(fù)荷以管狀的形式出現(xiàn)，渦帶的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)輪的頻率，有時(shí)甚至是轉(zhuǎn)輪頻率的6倍，超負(fù)荷和滿負(fù)荷下的渦帶比部分符合下的渦帶細(xì)得多，它不會(huì)像螺旋渦帶一樣給尾水管帶來很嚴(yán)重的影響和沖擊。2.2.2空蝕特性。超負(fù)荷下的空蝕特性與一般情況有很大不同，超負(fù)荷下，水輪機(jī)效率下降的臨界空蝕系數(shù)比額定工況時(shí)要大，轉(zhuǎn)輪葉片的初生空蝕系數(shù)比額定工況時(shí)也要大，但是在超負(fù)荷現(xiàn)象持續(xù)加重時(shí)，初生空蝕系數(shù)卻小于臨界空蝕系數(shù)。在較大的空蝕系數(shù)時(shí)，雖然看不到轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕現(xiàn)象，但是水輪機(jī)的效率已經(jīng)在下降了，此時(shí)降低空蝕系數(shù)，轉(zhuǎn)輪葉片會(huì)慢慢出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)降低空蝕系數(shù)，轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕現(xiàn)象也不會(huì)更加嚴(yán)重。如果超負(fù)荷比例繼續(xù)增大，那么在最小可能空蝕系數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片也有可能不產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象。

3.消除尾水管渦帶的措施

3.1控制渦帶偏心距離 可以通過加入同軸擴(kuò)散管來達(dá)到控制渦帶偏心距離的目的，但是這種方法在現(xiàn)實(shí)中采用的不多。

3.2引入適當(dāng)阻尼 引入阻尼可以破壞渦帶運(yùn)動(dòng)，起到消除尾水管渦帶的作用，引入阻尼最常用的方法就是補(bǔ)氣，氣泡具有阻尼作用，但是補(bǔ)氣時(shí)要嚴(yán)格控制補(bǔ)氣的量，將額定流量的2%的氣量充進(jìn)尾水管，會(huì)起到消除振動(dòng)的作用，將額定流量的1%的氣量充進(jìn)尾水管，會(huì)起到減輕振動(dòng)的作用，但是補(bǔ)氣量太小時(shí)，反而會(huì)增加振動(dòng)，因此，補(bǔ)氣的量一定要適當(dāng)。要注意的是，氣泡的阻尼作用不僅與相對(duì)容積有關(guān)還與氣泡直徑和絕對(duì)容積有關(guān)。

3.3改變水流的運(yùn)動(dòng)狀況 可以通過在尾水管內(nèi)部設(shè)置十字補(bǔ)氣架或是三角補(bǔ)氣架來到改變水流運(yùn)動(dòng)狀況的目的，設(shè)置十字補(bǔ)氣架和三角補(bǔ)氣架一般和引入阻尼同時(shí)進(jìn)行，還可以在尾水管直錐段加阻水漏或加筋板，這些附加物雖然可以消除或減小渦帶，但會(huì)增加噪聲，還會(huì)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以柘林電廠2號(hào)機(jī)水輪機(jī)為例，它是一臺(tái)4萬5機(jī)組，空載狀態(tài)下機(jī)組2.8萬時(shí)機(jī)組振動(dòng)最大；帶負(fù)荷機(jī)組1.3萬時(shí)機(jī)組振動(dòng)最大，這時(shí)通過十字補(bǔ)氣架補(bǔ)氣能極好的減小壓力脈動(dòng)。

3.4改進(jìn)轉(zhuǎn)輪的葉型設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)輪的葉型設(shè)計(jì)會(huì)直接影響到尾水管的進(jìn)口流態(tài)，因此，在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要使轉(zhuǎn)輪有較高的速率，還要提高轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性。

4.結(jié)束語

水輪機(jī)尾水管內(nèi)部的水壓力脈動(dòng)是造成水輪機(jī)機(jī)組發(fā)電效益和穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，尾水管渦帶的主要渦量來源于水輪機(jī)泄水錐和轉(zhuǎn)輪上冠，這對(duì)尾水管內(nèi)部的水壓力脈動(dòng)的預(yù)測(cè)和控制起著很重要的作用。同時(shí)，水輪機(jī)尾水管肘管之后的水壓力脈動(dòng)與尾水管自身的形狀也有很大關(guān)系，水輪機(jī)尾水管內(nèi)部在不同位置、不同工況下的水壓力脈動(dòng)在時(shí)域及頻域上的變化規(guī)律，對(duì)渦帶的形成機(jī)理進(jìn)行深入的分析和研究。

參考文獻(xiàn)

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