混流式水輪機(jī)大負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)陡升問題研究

孔凡瑞，李遠(yuǎn)余，張樹邦（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

混流式水輪機(jī)大負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)陡升問題研究

孔凡瑞，李遠(yuǎn)余，張樹邦
（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘要：針對(duì)電站水輪機(jī)出現(xiàn)的大負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)陡增現(xiàn)象，通過電站模型和電站實(shí)測(cè)壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合電站分步驟改型措施和對(duì)水輪機(jī)CFD結(jié)果分析認(rèn)為，水輪機(jī)大負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)陡升問題與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口設(shè)計(jì)有直接關(guān)系，不理想的轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)在大負(fù)荷時(shí)葉片進(jìn)口正面脫流，產(chǎn)生水輪機(jī)壓力脈動(dòng)陡升現(xiàn)象。在實(shí)際中可以通過改善水力和其它方法消除或減小水輪機(jī)壓力脈動(dòng)值，提高機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī)；壓力脈動(dòng)陡升；水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性

1概述

根據(jù)混流式水輪機(jī)特點(diǎn)，其額定點(diǎn)一般較接近最優(yōu)工況點(diǎn)并位于其右側(cè)，效率水平較高，運(yùn)行工況穩(wěn)定。但近年來一些電站相繼出現(xiàn)了在額定工況附近不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為機(jī)組運(yùn)行功率擺動(dòng)大、壓力脈動(dòng)及機(jī)組振動(dòng)陡升、調(diào)速器在大負(fù)荷難以穩(wěn)定等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低了電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

通過對(duì)電站的分析研究可以看出，水輪機(jī)大負(fù)荷壓力區(qū)脈動(dòng)陡升現(xiàn)象有著與其它壓力脈動(dòng)不同的振動(dòng)特點(diǎn)和振源位置。一般混流式水輪機(jī)在40% ～60%額定出力時(shí)的振動(dòng)增加，是由轉(zhuǎn)輪出口處旋轉(zhuǎn)渦帶造成的，表現(xiàn)為尾水管錐管壓力脈動(dòng)增加，水輪機(jī)振動(dòng)增大，尾水管進(jìn)人門處噪聲大，成像觀察時(shí)尾水管有與水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)鞭狀渦帶。大負(fù)荷壓力脈動(dòng)陡增則主要表現(xiàn)為導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動(dòng)的陡升，尾水管壓力脈動(dòng)有上升趨勢(shì)，但相對(duì)于前兩者的上升幅度較小。

本文通過對(duì)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果、真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)水輪機(jī)的CFD分析，找到了水輪機(jī)大負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)陡升的原因，并給出了幾種可行性措施。

2電站問題提出及過程分析

問題是以國內(nèi)某大型電站的實(shí)際運(yùn)行情況而提出的。國內(nèi)某大型電站2011年3號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組在高負(fù)荷時(shí)一些穩(wěn)定性指標(biāo)超標(biāo)，特別在接近相應(yīng)水頭滿負(fù)荷附近，水輪機(jī)振動(dòng)、擺渡和壓力脈動(dòng)突然上升。廠家隨后對(duì)該電站2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及模型實(shí)驗(yàn)，電站主要參數(shù)如表1。

表1電站主要參數(shù)

電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)水輪機(jī)運(yùn)行凈水頭約為160m，相應(yīng)的水輪機(jī)最大出力約535MW。實(shí)驗(yàn)過程中隨著2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)機(jī)組出力逐漸上升到530MW負(fù)荷以上時(shí)，可聽見發(fā)電機(jī)頂罩上蓋板由于水輪機(jī)補(bǔ)氣而產(chǎn)生的振動(dòng)聲響。將5號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)頂罩上蓋板拆除，在發(fā)電機(jī)頂罩上方觀測(cè)補(bǔ)氣情況。機(jī)組在390～420MW負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)氣閥發(fā)出輕微滋滋聲響，補(bǔ)氣閥未動(dòng)作；在420～450MW負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)氣閥未動(dòng)作；在500MW負(fù)荷時(shí)補(bǔ)氣閥開始頻繁動(dòng)作，約3s動(dòng)作一次，但每次補(bǔ)氣閥開度很小并瞬間關(guān)閉；在510MW負(fù)荷時(shí)補(bǔ)氣閥開閥時(shí)間加長，補(bǔ)氣噪聲加大；機(jī)組在520MW負(fù)荷以上時(shí)，補(bǔ)氣情況劇烈，補(bǔ)氣閥開度可達(dá)10mm左右。

3號(hào)機(jī)試驗(yàn)過程中，尾水錐管進(jìn)人門處在大負(fù)荷（約510MW以上）有渦帶撞擊聲，聲音不大；當(dāng)機(jī)組出力大于520MW時(shí)，噪聲明顯加大。

另外2號(hào)機(jī)還進(jìn)行了沒有補(bǔ)氣情況下的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，機(jī)組出力為520MW時(shí)，尾水錐管進(jìn)人門處有較大的轟鳴聲，在530MW時(shí)并伴有較大的尾水渦帶撞擊邊壁聲。在不補(bǔ)氣的情況下，尾水錐管進(jìn)人門處的聲響比補(bǔ)氣管暢通時(shí)似有加大，但不明顯。后期對(duì)真機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)機(jī)組出力超過550MW時(shí)，機(jī)組蝸殼進(jìn)口和頂蓋的壓力脈動(dòng)陡升，但尾水錐管處上升并不明顯（詳見圖14）。

3電站采取措施

根據(jù)電站情況，采用逐項(xiàng)排除的方式對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行了消除振動(dòng)措施，對(duì)水輪機(jī)各個(gè)過流部件進(jìn)行了分步驟修型，并對(duì)修型前、后機(jī)組的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了比較。

首先，電站對(duì)葉片活動(dòng)出口及固定導(dǎo)葉出口進(jìn)行修型（見圖1、2），并加長轉(zhuǎn)輪泄水錐，以判斷該問題是否為導(dǎo)葉出口處卡門渦造成的，以及加長轉(zhuǎn)輪泄水錐對(duì)其振動(dòng)是否有明顯降低。經(jīng)對(duì)修型前后機(jī)組的壓力脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較可以看出，修型前后的水輪機(jī)壓力脈動(dòng)無明顯變化，隨出力增大趨勢(shì)仍然明顯，噪聲略有降低，故可以排除卡門渦引起振動(dòng)的可能性，加長泄水錐對(duì)降低此時(shí)的壓力脈動(dòng)也無明顯效果。

圖1活動(dòng)導(dǎo)葉修型形狀

圖2固定導(dǎo)葉修型形狀

其次，在葉片出口背面約80mm葉片下半部區(qū)域?qū)θ~片進(jìn)行減薄修型。以改變卡門渦的頻率，減輕引起的卡門渦噪聲?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，效果不明顯。

第三步，從出水邊的中部至下環(huán)處出水邊切割40mm（見圖3、4），出水邊形狀由壓力面平直吸力面弧面改為吸力面平直壓力面弧面，以降低其卡門渦頻率。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，修型后，在同樣的開度下，出力比其它機(jī)組高約15MW。在該水頭滿負(fù)荷下，頂蓋振動(dòng)值基本不超標(biāo)，但仍有明顯加大趨勢(shì)。

圖3下環(huán)側(cè)葉片修型形狀

圖4上冠側(cè)葉片修型形狀

最后，將1號(hào)機(jī)葉片出水邊靠近上冠處切削反向三角區(qū)域。通過對(duì)葉片上冠修型前、后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，修型后1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)穩(wěn)定性得以大幅改善，修型前頂蓋垂直振動(dòng)在超過500MW后有明顯抬升趨勢(shì)，在最大負(fù)荷下（555MW）達(dá)到最大（115um），修型后雖仍有抬升，但已明顯放緩，最大負(fù)荷下（580MW）頂蓋垂直振動(dòng)為52um，幅值明顯降低。與其它沒有進(jìn)行上冠處修型機(jī)組相同條件下的振動(dòng)對(duì)比知道，1號(hào)機(jī)頂蓋的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)均明顯較小，修型后機(jī)組出力范圍也一定程度上增加。轉(zhuǎn)輪葉片出口上冠側(cè)修型對(duì)于噪聲主頻的改變和低水頭、大負(fù)荷下頂蓋垂直振動(dòng)和其壓力脈動(dòng)降低均有一定效果。

通過上述一系列修型措施，較為有效地控制了機(jī)組在大負(fù)荷區(qū)域的壓力脈動(dòng)和機(jī)組振動(dòng)，對(duì)降低大負(fù)荷區(qū)域壓力脈動(dòng)及振動(dòng)陡升問題起到了一定作用。

4模型及真機(jī)壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在采取了上述一系列修型措施后，廠家對(duì)各修型前、后的水輪機(jī)模型進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖5～圖14：

圖5蝸殼進(jìn)口修型前壓力脈動(dòng)

圖6 蝸殼進(jìn)口修下環(huán)處后壓力脈動(dòng)

圖7蝸殼進(jìn)口修上冠處后壓力脈動(dòng)圖

圖8無葉區(qū)修型前壓力脈動(dòng)

圖9無葉區(qū)修下環(huán)處后壓力脈動(dòng)

圖10無葉區(qū)修上冠處后壓力脈動(dòng)

圖11尾水管修型前壓力脈動(dòng)

圖12尾水管修下環(huán)處后壓力脈動(dòng)

圖13尾水管修上冠處后壓力脈動(dòng)

圖14 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各部位壓力脈動(dòng)

通過數(shù)據(jù)圖表可以看出，電站模型和真機(jī)的壓力脈動(dòng)值都有在通過最優(yōu)區(qū)域后壓力脈動(dòng)陡升現(xiàn)象，而且升高的幅值較高，與常規(guī)混流式水輪機(jī)在此區(qū)域的特性明顯不同。

圖5，6，7模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表顯示，蝸殼進(jìn)口處45%較低負(fù)荷區(qū)域壓力脈動(dòng)，在蝸殼進(jìn)口處沒有引起明顯的壓力波動(dòng)，這是因?yàn)樵趯?dǎo)葉小開度、部分負(fù)荷條件下，水輪機(jī)的振動(dòng)主要是由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)渦帶造成的，渦帶能量由于轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的阻擋，沒有傳到蝸殼處，而是隨水流流向尾水管，造成尾水管進(jìn)口的壓力脈動(dòng)增加。

電站問題的解決過程說明，轉(zhuǎn)輪的葉片、導(dǎo)葉尾部修型后對(duì)壓力脈動(dòng)有一定影響，但沒有消除其大負(fù)荷區(qū)域的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)陡升問題。因此，可以排除振源為葉片和導(dǎo)葉出水邊卡門渦。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果知道，導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前壓力脈動(dòng)變化幅值較尾水管處大，且敏感，所以振源應(yīng)在導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間。根據(jù)以上分析知道振動(dòng)不是由活動(dòng)導(dǎo)葉出口卡門渦引起，應(yīng)該產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口側(cè)。

葉片進(jìn)口產(chǎn)生的脫流渦帶隨水流向下流動(dòng)，穿過轉(zhuǎn)輪葉柵區(qū)到達(dá)轉(zhuǎn)輪出口，使尾水管壓力脈動(dòng)增加，造成轉(zhuǎn)輪出口處壓力波動(dòng)，使大軸中心孔補(bǔ)氣裝置開始動(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)最后進(jìn)行的葉片出水邊上冠側(cè)切割大三角區(qū)域措施，實(shí)質(zhì)上增加了轉(zhuǎn)輪葉片的開口值，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)輪單位流量和過流能力，使得水輪機(jī)的特性整體向右上方移動(dòng)，有效遠(yuǎn)離原來大負(fù)荷壓力脈動(dòng)陡升區(qū)，從而提高了水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，從側(cè)面解決了大負(fù)荷區(qū)域振動(dòng)問題。

5電站水輪機(jī)的CFD分析

為了尋找電站大負(fù)荷區(qū)域壓力脈動(dòng)陡升問題的振源位置，建立了電站水輪機(jī)CFD模型，并分別對(duì)最優(yōu)工況點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況點(diǎn)及試驗(yàn)點(diǎn)45%出力條件下進(jìn)行了CFD計(jì)算。

CFD分析結(jié)果顯示，在最優(yōu)工況時(shí)，水輪機(jī)CFD模型從蝸殼進(jìn)口至尾水管出口流態(tài)較好；固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處未見卡門渦；尾水管無旋轉(zhuǎn)渦帶，進(jìn)口處水流為法向；葉片正、背面壓力分布均勻，葉片進(jìn)口處速度矢量在正、背面分布均勻，但已經(jīng)有正面矢量分布多背面分布少趨勢(shì)，水流相對(duì)葉片進(jìn)口已經(jīng)有負(fù)傾角趨勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況點(diǎn)時(shí)，固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處未見卡門渦；尾水管未見較強(qiáng)旋轉(zhuǎn)渦帶，有空腔渦帶產(chǎn)生，渦帶壓力分布比較均勻；葉片進(jìn)口背面有明顯高壓區(qū)，壓力明顯高于相應(yīng)葉片正面，葉片進(jìn)口處矢量分布明顯偏向葉片正面，背面矢量分布極少，水流相對(duì)葉片進(jìn)口負(fù)傾角趨勢(shì)極明顯。

45%負(fù)荷時(shí)，固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處未見明顯卡門渦；尾水管有較強(qiáng)旋轉(zhuǎn)渦帶，旋向與機(jī)組旋向一致；葉片正、背面壓力總體分布均勻，葉片進(jìn)口處速度矢量在正、背面分布均勻，稍偏向背面。

圖15為45%負(fù)荷葉片進(jìn)口壓力分布，圖16為最優(yōu)工況葉片進(jìn)口壓力分布，圖17為大負(fù)荷葉片進(jìn)口壓力分布，圖18為45%負(fù)荷葉片進(jìn)口矢量分布，圖19為最優(yōu)工況葉片進(jìn)口矢量分布，圖20為大負(fù)荷葉片進(jìn)口矢量分布，圖21為45%負(fù)荷尾水管流線圖，圖22為最優(yōu)工況尾水管流線圖，圖23為大負(fù)荷尾水管流線圖。

圖15

圖16

圖17

圖18

圖19

圖20

圖21

圖22

圖23

從計(jì)算結(jié)果可以看出，水輪機(jī)葉片進(jìn)口側(cè)在大負(fù)荷區(qū)流態(tài)變化劇烈，且有嚴(yán)重脫流現(xiàn)象，與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。水輪機(jī)其它部位水流流態(tài)正常。

6解決辦法

根據(jù)大負(fù)荷區(qū)域混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)陡升的產(chǎn)生機(jī)理分析和以往經(jīng)驗(yàn)，解決和減輕大負(fù)荷區(qū)域壓力脈動(dòng)陡升問題的方式主要有以下幾種：

（1）改善葉片水力設(shè)計(jì)，優(yōu)化葉片進(jìn)口角度，選擇合適的葉片進(jìn)口厚度形狀，消除大負(fù)荷區(qū)域葉片進(jìn)口脫流現(xiàn)象，從而徹底解決大負(fù)荷區(qū)振動(dòng)問題。

（2）選擇合適的轉(zhuǎn)輪泄水錐形式。

（3）向轉(zhuǎn)輪出口處補(bǔ)氣，降低機(jī)組尾水管壓力脈動(dòng)幅值。

（4）向水輪機(jī)導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前補(bǔ)壓縮空氣，降低轉(zhuǎn)輪進(jìn)口渦帶能量，從而降低振幅。

（5）發(fā)生大負(fù)荷區(qū)域振動(dòng)的電站，應(yīng)盡量采用合理的機(jī)組運(yùn)行方式，避開振動(dòng)較大區(qū)域運(yùn)行。

（6）新電站建設(shè)過程中，更加關(guān)注模型大負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)問題，在使用具有大負(fù)荷壓力脈動(dòng)問題的轉(zhuǎn)輪模型時(shí)，要合理選擇電站轉(zhuǎn)速和直徑，使得水輪機(jī)正常運(yùn)行區(qū)域遠(yuǎn)離壓力脈動(dòng)陡升區(qū)域。

（7）采用負(fù)曲率導(dǎo)葉，改變轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處水流環(huán)量，減輕正面脫流。由于導(dǎo)葉環(huán)量的改變會(huì)造成水輪機(jī)特性的整體改變，發(fā)生水輪機(jī)的特性偏移，后續(xù)需要進(jìn)一步深入的研究，并盡量以模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

7總結(jié)

通過對(duì)電站模型、真機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比和對(duì)相應(yīng)的CFD模型的分析知道，電站在大負(fù)荷區(qū)域的壓力脈動(dòng)陡升主要是由于其水輪機(jī)進(jìn)口在大負(fù)荷區(qū)域，隨著導(dǎo)葉開口逐漸增加，水流的負(fù)環(huán)量逐漸增加，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口處大范圍的正面脫流，進(jìn)而導(dǎo)致了機(jī)組壓力脈動(dòng)和振動(dòng)的陡升現(xiàn)象。

在葉片設(shè)計(jì)時(shí)，建議進(jìn)口處厚度不宜過薄，以便使葉片進(jìn)口具有對(duì)水流環(huán)量更大的適應(yīng)性。

在實(shí)驗(yàn)室條件允許情況下，模型實(shí)驗(yàn)盡量增加對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的成像觀測(cè)，在模型實(shí)驗(yàn)階段對(duì)轉(zhuǎn)輪模型特性進(jìn)行更加全面的掌握。

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中圖分類號(hào)：TV136

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）04-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.001

收稿日期：2015-02-27

作者簡介：孔凡瑞（1980-），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。