燈泡式水輪機(jī)非協(xié)聯(lián)工況下空化性能的試驗(yàn)研究

盧　池，陳梁年，姚　丹

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

燈泡式水輪機(jī)非協(xié)聯(lián)工況下空化性能的試驗(yàn)研究

盧池，陳梁年，姚丹

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

摘要：以某比轉(zhuǎn)速燈泡式水輪機(jī)為例，利用模型試驗(yàn)的方法對其協(xié)聯(lián)工況和非協(xié)聯(lián)工況的空化性能進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)結(jié)果的對比和分析，得出如下規(guī)律：在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)水頭不變的情況下，燈泡式水輪機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)輪葉片角度運(yùn)行時(shí)，無論模型水輪機(jī)是處于協(xié)聯(lián)工況還是非協(xié)聯(lián)工況，其臨界空化系數(shù)（?0）隨著流量因數(shù)（?ED）的增大而增大。本研究結(jié)果對原型燈泡式水輪機(jī)的運(yùn)行，特別是非協(xié)聯(lián)工況下的運(yùn)行，具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：空化系數(shù)；燈泡式水輪機(jī)；模型試驗(yàn)；非協(xié)聯(lián)工況；空化性能

1　前言

貫流式水輪機(jī)自20世紀(jì)30年代問世以來，因其具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、淹沒移民少等優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。燈泡貫流式水輪機(jī)（簡稱：燈泡式水輪機(jī)）作為應(yīng)用最為廣泛的一種貫流式水輪機(jī)，人們對其進(jìn)行了比較深入的研究，并取得顯著成果。

水輪機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片最低壓力點(diǎn)的壓力等于或低于當(dāng)時(shí)溫度下水的汽化壓力時(shí)，便發(fā)生空化。為了對水力機(jī)械運(yùn)行過程中的空化情況進(jìn)行描述，引入了空化系數(shù)這個(gè)無量綱術(shù)語，它被表示為凈正吸入比能NPSE與比能E的比值。無論是在水輪機(jī)模型試驗(yàn)，還是在電站實(shí)際運(yùn)行中，空化系數(shù)都扮演著重要角色，對水輪機(jī)各方面性能有著重要影響。

對于燈泡式水輪機(jī)，通常僅在協(xié)聯(lián)工況下對其空化性能進(jìn)行測試，而對非協(xié)聯(lián)工況下空化性能的研究比較少。本文將以某比轉(zhuǎn)速燈泡式水輪機(jī)為例，通過模型試驗(yàn)的方法，對其非協(xié)聯(lián)工況下的空化性能進(jìn)行研究。

2　水輪機(jī)的空化性能

對水輪機(jī)空化性能的研究，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，隨著對該問題研究的深入，先后提出了臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)的概念。

關(guān)于臨界空化系數(shù)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2900.45-2006《電工術(shù)語 水電站水力機(jī)械設(shè)備》中的定義為：“在模型空化試驗(yàn)中用能量法確定的臨界狀態(tài)的空化系數(shù)”；國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15613.1-2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》中的定義為“與所規(guī)定的空化開始狀態(tài)有關(guān)的空化系數(shù)，例如規(guī)定能量下降值”。在模型試驗(yàn)時(shí)，因選取的能量（通常為效率）下降值不同，就有了效率下降1%時(shí)的1和效率剛開始下降的0等等。由此可見，臨界空化系數(shù)直接反映的是水輪機(jī)能量方面的變化，和空化氣泡的多少等沒有直接關(guān)系。

關(guān)于初生空化系數(shù)，國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2900.45-2006《電工術(shù)語 水電站水力機(jī)械設(shè)備》中的定義為：“轉(zhuǎn)輪葉片開始出現(xiàn)空泡時(shí)的空化系數(shù)”；國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15613.1-2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》中的定義為“轉(zhuǎn)輪/葉片可見空化現(xiàn)象開始時(shí)的空化系數(shù)，通常由觀察得到，三個(gè)葉片出現(xiàn)氣泡”?？梢姡跎栈禂?shù)直接反映的是水輪機(jī)在低壓條件下開始出現(xiàn)空化現(xiàn)象時(shí)的空化系數(shù)，并不直接反映其效率等能量指標(biāo)的變化情況。

根據(jù)臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)的定義，可以清楚的認(rèn)識到這兩個(gè)空化系數(shù)的判定依據(jù)不同，前者是根據(jù)“能量”指標(biāo)，后者是根據(jù)“氣泡”是否發(fā)生。雖然兩者的判定依據(jù)不同，反映水輪機(jī)空化性能的側(cè)重點(diǎn)不同，但是二者之間仍然是有關(guān)聯(lián)的，隨著轉(zhuǎn)輪內(nèi)部空化氣泡的形成、發(fā)展，對水輪機(jī)的效率、功率、流量等造成了一定的影響，不過這種關(guān)聯(lián)是一種不確定的聯(lián)系，因轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)（包括翼型設(shè)計(jì)）、水輪機(jī)運(yùn)行工況而異。

關(guān)于電站空化系數(shù)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2900.45-2006《電工術(shù)語 水電站水力機(jī)械設(shè)備》中的定義為：“在電站運(yùn)行條件下的空化系數(shù)”；國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15613.1-2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》中的定義為“原型在運(yùn)行條件下的空化系數(shù)”?？梢姡娬究栈禂?shù)反映的是原型水輪機(jī)運(yùn)行過程中所處的某種狀態(tài)，其值隨著運(yùn)行條件的變化而變化。

在水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電站空化系數(shù)小于初生空化系數(shù)時(shí)，水輪機(jī)將發(fā)生空化現(xiàn)象；當(dāng)電站空化系數(shù)小于臨界空化系數(shù)時(shí)，隨著空化的發(fā)生、發(fā)展，水輪機(jī)將出現(xiàn)效率下降，甚至機(jī)組振動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，在水輪機(jī)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)在任何運(yùn)行條件下均需大于其所對應(yīng)的臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)，并具有一定的安全余量。

燈泡式水輪機(jī)的空化系數(shù)不僅影響其水力性能，而且對其力特性也有著很大的影響，關(guān)于這些影響已有不少人對其進(jìn)行研究，并取得了顯著成果，本文將不再贅述。

3　試驗(yàn)方法

對于燈泡式水輪機(jī)的空化試驗(yàn)，需在水輪機(jī)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，根據(jù)可能出現(xiàn)的水頭、尾水位及負(fù)荷的變化情況，測出給定的每個(gè)運(yùn)行條件下相對應(yīng)的臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)。同時(shí)，計(jì)算出相應(yīng)條件下電站空化系數(shù)與臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)的比值，以驗(yàn)證其空化性能是否滿足要求。

在進(jìn)行空化試驗(yàn)時(shí)，保持模型試驗(yàn)水頭和轉(zhuǎn)速不變，采取逐步降低尾水壓力的方法來逐漸降低空化系數(shù)，在此過程中，對不同空化系數(shù)下的模型效率（hM）、流量因數(shù)（ED）、功率因數(shù)（ED）等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，利用閃頻裝置對模型轉(zhuǎn)輪葉片上的空化現(xiàn)象進(jìn)行觀察，并通過拍照和繪制草圖的方式將其記錄下來。

本研究的相關(guān)試驗(yàn)均在東芝水電水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺上完成，該試驗(yàn)臺于2011年10月份通過了由中國電機(jī)工程學(xué)會和中國水力發(fā)電工程學(xué)會組織的技術(shù)鑒定，鑒定委員會一致認(rèn)為該項(xiàng)目成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，可以作為開發(fā)、驗(yàn)證混流式、軸流式、貫流式水輪機(jī)模型性能的通用試驗(yàn)裝置。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

以某比轉(zhuǎn)速燈泡式模型水輪機(jī)為例，選取5個(gè)典型轉(zhuǎn)速因數(shù)，在每個(gè)轉(zhuǎn)速因數(shù)下選擇1個(gè)協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)和2個(gè)非協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)，共計(jì)15個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。

4.1不同工況下空化試驗(yàn)結(jié)果

選取的15個(gè)工況點(diǎn)，如表1所示。在各工況下進(jìn)行空化試驗(yàn)，通過對這些工況點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果的整理，選取效率剛開始下降時(shí)的臨界空化狀態(tài)作為重點(diǎn)研究對象，并對之進(jìn)行分析。各工況臨界空化狀態(tài)下的參數(shù)值，見表1。

表1　空化試驗(yàn)工況點(diǎn)及臨界空化狀態(tài)下的參數(shù)值

4.2不同工況下試驗(yàn)結(jié)果的對比及分析

在相同的轉(zhuǎn)速因數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片角度下，對其協(xié)聯(lián)工況和非協(xié)聯(lián)工況的臨界空化狀態(tài)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1～圖5所示。

從圖1～圖5中不同工況臨界空化系數(shù)的對比（實(shí)線）可以看出，在轉(zhuǎn)速因數(shù)（ED）和轉(zhuǎn)輪葉片角度（）一定時(shí)，無論模型水輪機(jī)是處于協(xié)聯(lián)工況還是非協(xié)聯(lián)工況，其臨界空化系數(shù)（0）都是隨著流量因數(shù)（ED）的增大而增大。模型水輪機(jī)運(yùn)行過程中，在其轉(zhuǎn)速因數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片角度不變的情況下，這一規(guī)律均適用。另外，從總體上來說模型水輪機(jī)所處的非協(xié)聯(lián)工況偏離協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)越遠(yuǎn)，其臨界空化系數(shù)和協(xié)聯(lián)工況時(shí)的值相比，偏差也就越大。

由于模型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速因數(shù)和原型水輪機(jī)的水頭相對應(yīng)，也就是說在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的任一水頭下，燈泡式水輪機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)輪葉片角度運(yùn)行時(shí)，其小流量非協(xié)聯(lián)工況下的臨界空化系數(shù)最小，協(xié)聯(lián)工況下的臨界空化系數(shù)次之，大流量非協(xié)聯(lián)工況下的臨界空化系最大，即小流量非協(xié)聯(lián)工況下不易發(fā)生臨界空化現(xiàn)象。

從圖1～圖5中不同工況臨界空化狀態(tài)下效率的對比（虛線）可以看出，在其協(xié)聯(lián)工況時(shí)，模型水輪機(jī)效率（hM）最高，無論是在小流量非協(xié)聯(lián)工況下，還是大流量非協(xié)聯(lián)工況下，其效率均出現(xiàn)嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。并且，從總體上來說偏離協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)越遠(yuǎn)，其效率的下降值越大，這和水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況也是吻合的。

圖1　工況1、工況2、工況3臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖2　工況4、工況5、工況6臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖3　工況7、工況8、工況9臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖4　工況10、工況11、工況12臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖5　工況13、工況14、工況15臨界空化狀態(tài)下性能對比

5　結(jié)束語

在電站實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪葉片可調(diào)式水輪機(jī)組通常均要求其在協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行，但是，由于某些特殊原因或條件限制，如果需要機(jī)組在非協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行，對于燈泡式水輪機(jī)可以采用下述方法：在轉(zhuǎn)輪葉片角度不變的情況下，適當(dāng)減小導(dǎo)葉開度（或者在調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片角度和導(dǎo)葉開度的過程中，始終使導(dǎo)葉開度小于該水頭下轉(zhuǎn)輪葉片角度所對應(yīng)的協(xié)聯(lián)狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)葉開度），即機(jī)組一直處于小流量非協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行。此時(shí)，臨界空化系數(shù)相對較小，水輪機(jī)在此狀態(tài)下運(yùn)行，不易發(fā)生臨界空化現(xiàn)象，可以減少由于空化的發(fā)生、發(fā)展而引起的機(jī)組振動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而確保水輪機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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中圖分類號：TK730.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0004-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.002

收稿日期：2015-01-07

作者簡介：盧池（1982-），男，高級工程師，從事水輪機(jī)模型試驗(yàn)和水力性能開發(fā)方面的研究工作。