混流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)試驗(yàn)分析

王林

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310000）

混流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)試驗(yàn)分析

王林

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310000）

壓力脈動(dòng)產(chǎn)生于機(jī)組運(yùn)行過(guò)程的非定常流場(chǎng)，是引起水輪機(jī)組振動(dòng)及不穩(wěn)定運(yùn)行的主要水力振動(dòng)源之一。其中，尾水管的螺旋狀渦帶是引起水力振動(dòng)的最主要因素。本文通過(guò)對(duì)混流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)，研究了混流式水輪機(jī)尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)與空化系數(shù)、泄水錐形狀及補(bǔ)氣量的相互關(guān)系。

混流式水輪機(jī)；尾水管壓力脈動(dòng)；空化系數(shù)；泄水錐形狀；補(bǔ)氣量；模型試驗(yàn)

1 概述

近年來(lái)，隨著水輪機(jī)單機(jī)容量及轉(zhuǎn)輪直徑的不斷增大，水輪機(jī)的水力振動(dòng)等穩(wěn)定性方面的問(wèn)題越來(lái)越突出。機(jī)組振動(dòng)、軸系擺度和壓力脈動(dòng)是表征水輪機(jī)組穩(wěn)定性的3個(gè)主要參數(shù)。水力振動(dòng)作為影響水電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。研究表明，導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處的卡門渦、轉(zhuǎn)輪中的葉道渦和尾水渦帶產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)是引起水力振動(dòng)的主要因素。

本文通過(guò)對(duì)混流式水輪機(jī)的模型試驗(yàn)，研究了泄水錐形狀、空化系數(shù)及補(bǔ)氣等與尾水管壓力脈動(dòng)的關(guān)系。

2 模型水輪機(jī)主要參數(shù)

模型水輪機(jī)主要參數(shù)：

模型試驗(yàn)水頭：30 m；

模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1m：0.348 9 m；

模型轉(zhuǎn)輪出口直徑D2m：0.35 m。

模型水輪機(jī)尾水管測(cè)壓點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖1。

3 壓力脈動(dòng)影響因素試驗(yàn)研究

3.1 壓力脈動(dòng)與空化系數(shù)的關(guān)系

圖1 模型尾水管測(cè)壓點(diǎn)布置示意圖

σ—即空化系數(shù)，又分為臨界空化系數(shù)σc（與規(guī)定的能量下降值相聯(lián)系的空化系數(shù)，可取σ0或σ1，σ1為水輪機(jī)效率下降1%時(shí)的空化系數(shù)，σ0為水輪機(jī)效率開(kāi)始下降時(shí)的空化系數(shù)，為方便觀察，模型試驗(yàn)中常取σ1）、初生空化系數(shù)σi（目測(cè)觀察到轉(zhuǎn)輪三個(gè)葉片同時(shí)產(chǎn)生氣泡時(shí)的空化系數(shù)）及電站空化系數(shù)σp等，其關(guān)系為：σ1≤σc≤σ0＜σi＜σp。

Pa/γ—當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?，Pa/γ=10.33-/900，m—當(dāng)?shù)睾０胃叱?，m。

Pν/γ—當(dāng)時(shí)水溫下的飽和氣化壓力，隨溫度升高而增大。

當(dāng)t=20℃時(shí)，Pν/γ≈0.24 m。

Hs—吸出高度，即空化基準(zhǔn)面與尾水位的高差，m。對(duì)混流式水輪機(jī)，空化基準(zhǔn)面即導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心線所在平面。

H—水頭，m

則公式（1）可簡(jiǎn)化為：

公式（2）即為工程中常用的空化系數(shù)計(jì)算公式。從（2）可以看出，當(dāng)水頭H不變時(shí)，空化系數(shù)σ是僅與吸出高度Hs線性相關(guān)。在模型試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)改變吸出高度Hs計(jì)算臨界空化系數(shù)σc。

將模型機(jī)固定在某一工況不變（即保持模型機(jī)水頭Hm，單位轉(zhuǎn)速n11，導(dǎo)葉開(kāi)度a0不變），通過(guò)改變吸出高度，即可測(cè)得空化系數(shù)與尾水管壓力脈動(dòng)的變化。試驗(yàn)結(jié)果圖2所示。

3.2 壓力脈動(dòng)與泄水錐幾何形狀的關(guān)系

對(duì)模型轉(zhuǎn)輪帶原型泄水錐和加長(zhǎng)型泄水錐2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。轉(zhuǎn)輪泄水錐結(jié)構(gòu)示意圖如下頁(yè)圖3和圖4所示。

針對(duì)真機(jī)的最小水頭，額定水頭，中間水頭（發(fā)最大出力的最小水頭）以及最大水頭4種工況，共進(jìn)行了n11=91.5 rpm，83.2 rpm，80.9 rpm及74.4 rpm 4個(gè)單位轉(zhuǎn)速下的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。不同泄水錐形狀壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)圖5所示。

3.3 壓力脈動(dòng)與補(bǔ)氣量的關(guān)系

模型試驗(yàn)時(shí)，保持導(dǎo)葉開(kāi)度和水頭不變，通過(guò)短管向尾水管中注入一定量的壓縮空氣，測(cè)量尾水管壓力脈動(dòng)的變化。壓力脈動(dòng)與補(bǔ)氣量的關(guān)系曲線如圖6所示。

4 結(jié)論

通過(guò)模型試驗(yàn)，針對(duì)上述測(cè)量結(jié)果，可以得到以下一些結(jié)論：

圖2 尾水管壓力脈動(dòng)與空化系數(shù)關(guān)系曲線示意圖

圖3 帶原形泄水錐的模型轉(zhuǎn)輪示意圖

圖4 帶加長(zhǎng)泄水錐的模型轉(zhuǎn)輪示意圖

圖5 不同工況下尾水管壓力脈動(dòng)與泄水錐形狀關(guān)系曲線示意圖

（1）當(dāng)水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速較高時(shí)（相當(dāng)于水輪機(jī)低水頭運(yùn)行工況），尾水管壓力脈動(dòng)在不同空化系數(shù)下均有較大波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)空化系數(shù)對(duì)壓力脈動(dòng)的影響不大。當(dāng)單位轉(zhuǎn)速降低（即水頭升高），隨著空化系數(shù)的增大，壓力脈動(dòng)呈逐步減小的趨勢(shì)，當(dāng)空化系數(shù)大于某個(gè)值時(shí)（不同水頭下不一致），壓力脈動(dòng)基本穩(wěn)定在一個(gè)較低的數(shù)值。由此即可計(jì)算出不同水頭下的最小吸出高度Hs。

圖6 尾水管壓力脈動(dòng)與補(bǔ)氣量關(guān)系曲線示意圖

（2）在部分負(fù)荷（小流量）時(shí)，尾水管會(huì)產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，在滿負(fù)荷或超負(fù)荷時(shí)，壓力脈動(dòng)會(huì)保持在一個(gè)較低的水平。長(zhǎng)泄水錐可有效降低部分負(fù)荷下尾水管的壓力脈動(dòng)的峰值（最大值）。但并不是所有工況下都能降低壓力脈動(dòng)。同樣在部分負(fù)荷工況時(shí)（偏離壓力脈動(dòng)最大值的區(qū)域），長(zhǎng)泄水錐反而會(huì)加劇尾水管壓力脈動(dòng)。

（3）在低水頭小開(kāi)度的工況下，補(bǔ)氣能有效的降低尾水管的壓力脈動(dòng)。當(dāng)水頭升高或?qū)~開(kāi)度增大時(shí)，補(bǔ)氣的效果已不明顯，某些工況下，甚至?xí)觿∥菜艿膲毫γ}動(dòng)。

綜上所述，對(duì)混流式水輪機(jī)組的防振和減振，主要是消除或減弱尾水管中螺旋狀渦帶引起的壓力脈動(dòng)。目前工程上常用的減振措施：一是改變泄水錐形狀；二是選擇合理的吸出高度（即選擇適當(dāng)?shù)目栈禂?shù)）；三是補(bǔ)氣。另外還有一些措施，如在尾水管中加裝導(dǎo)流板，或在尾水管中加裝同軸圓管等，這些措施雖然能降低尾水管的最大壓力脈動(dòng)，但由于破壞了尾水管中的流態(tài)，會(huì)降低水輪機(jī)在某些工況下的效率，且會(huì)使尾水管空化加劇，只能作為備用措施，其他措施無(wú)效或效果不大時(shí)采用。對(duì)一些劇烈振動(dòng)的區(qū)域，若無(wú)法有效降低壓力脈動(dòng)，必須避免在此工況運(yùn)行，防止損壞設(shè)備或造成安全事故。

TV131

A

1672-5387（2016）07-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.002

2016-04-17

王 林（1979-），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。