關(guān)于減小抽水蓄能機組尾水管振動的探討

溫占營，梁睿光

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

關(guān)于減小抽水蓄能機組尾水管振動的探討

溫占營，梁睿光

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

抽水蓄能機組由于尾水管的壓力脈動引起的振動可以考慮通過設(shè)置結(jié)構(gòu)措施來控制，本文簡要描述了設(shè)置穩(wěn)流片、阻流柵、導(dǎo)流柵、同軸圓柱等四種結(jié)構(gòu)措施減小振動。

抽水蓄能機組；尾水管；振動

抽水蓄能機組一般為高水頭混流式結(jié)構(gòu)，由于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪出口的水流，在部分負荷工況下運行時，不可避免地存在周向旋回分速度，再加上彎肘形管道的作用，渦動水流所產(chǎn)生的壓力脈動往往是難以避免的。當尾水管內(nèi)部壓力低于汽化壓力時，空化發(fā)生，出現(xiàn)空腔渦核和螺旋狀渦帶，產(chǎn)生低頻壓力脈動、出力擺動及機組與結(jié)構(gòu)振動。參考一些水電站的處理經(jīng)驗，可以在尾水管結(jié)構(gòu)上設(shè)置穩(wěn)流片、阻流柵、導(dǎo)流柵、安裝同軸圓柱等來減小壓力脈動引起的振動。

1 設(shè)置穩(wěn)流片

大量的研究已經(jīng)證實，尾水管的內(nèi)部不穩(wěn)定流動均起源于水輪機轉(zhuǎn)輪后出流的周向分速度，穩(wěn)流片是減振裝置之一，某些機組裝置在尾水管錐管段，通過削減水流的旋回強度以消減壓力脈動。

對于穩(wěn)流片的減振機理，其形狀、安裝的數(shù)量和位置等，已做過大量的試驗研究。但對穩(wěn)流片降低壓力脈動的作用原理尚無完全的解釋。另一方面，穩(wěn)流片還會導(dǎo)致在其表面的不均勻壓力梯度、高頻脈動和局部空蝕等，造成穩(wěn)流片本身的破壞和尾水管里襯的破壞。

1.1 穩(wěn)流片的形式

圖1為某電站實際采用的穩(wěn)流片的布置和細部構(gòu)造，為三角翼型，即橫斷面為三角形，頭部縱向也為三角形。布置上沿水流方向，焊接在尾水管錐管段的管壁上，周向等距布置，有2個、3個或4個的組合。

圖1 穩(wěn)流片布置和構(gòu)造

1.2 穩(wěn)流片的減振機理分析

隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，對安裝穩(wěn)流片之后的尾水管流場數(shù)值解析是可能的。以下將介紹安裝有穩(wěn)流片尾水管的數(shù)值解析成果(三維粘性流動)，優(yōu)化穩(wěn)流片的形狀以減小作用在穩(wěn)流片上的壓力合力，探討不同進口條件和不同穩(wěn)流片形狀的影響，為穩(wěn)流片的實際應(yīng)用提供有益的參考。

首先介紹一個彎肘型尾水管模型，進口直徑125 mm，錐管段擴散角9°，出口與進口面積之比為4.12，是實際混流式水輪機模型的1/3。在錐管段內(nèi)壁假設(shè)安裝4個無厚度的穩(wěn)流片(簡稱為“L”型)，等間距布置，安裝起點在進口的0.336 Ri，如圖2所示。

圖2 尾水管錐管段設(shè)置“L”型穩(wěn)流片示意圖

利用數(shù)值分析計算流場，得到三維流線圖（如圖3），進口處m=1.2。扭曲的螺旋形流線與試驗觀察的很相像。流線在錐管段偏向一邊，然后在出口區(qū)移至另一邊。安裝穩(wěn)流片后，主流更靠近中心區(qū)。

圖3 加穩(wěn)流片后尾水管流線軌跡示意圖

圖4表示的是中間錐管橫斷面的二次流場分布和壓力場分布。流場分布特性表明，在錐管的中心區(qū)及以下有較大的回流，在頂部和中心有流動分離。接近出口區(qū)，流動偏向一側(cè)。由于主流接近壁面區(qū)，穩(wěn)流片的消渦作用顯現(xiàn)：受穩(wěn)流片的約束作用，主流向中心區(qū)移動，渦動強度減弱。計算還顯示，在穩(wěn)流片后部存在一個小渦，渦動可能會造成負壓和空化，這一現(xiàn)象已為試驗所證實。壓力場的分析表明，穩(wěn)流片附近為壓力集中區(qū)域，壓力梯度較大，穩(wěn)流片的迎水面為較大的正壓力區(qū)，背水面存在較大的負壓，因此，造成穩(wěn)流片的壓力合力，這對穩(wěn)流片的強度和使用壽命極為不利。

圖4 穩(wěn)流片中間橫斷面流場流速和壓力分布圖

在穩(wěn)流片的背部和尾部出現(xiàn)一個小渦，在穩(wěn)流片的迎水面與背水面間存在巨大的壓差，這也是實際電站運動中穩(wěn)流片和尾水管里襯破壞的原因。對于不同的翼型，壓力不平衡基本在同一量級，但合力還是有所差異。因此，在穩(wěn)流片幾何形狀優(yōu)化時應(yīng)該進行穩(wěn)流片本身和尾水管里襯的應(yīng)力分析和強度復(fù)核。

機組檢修，通流部分各洼窩中心的原始記錄是在軸系中心調(diào)整后測量的，因此，需要根據(jù)調(diào)整軸系中心時的調(diào)整量，推算出修前的各道洼窩中心才能進行全面的分析。

尾水管內(nèi)設(shè)置穩(wěn)流片具有良好的降低渦動強度的作用，通常在穩(wěn)流片負壓面引入空氣可以有效消除局部的高頻渦動和空化，可以有效控制壓力脈動和防止共振，同時維持其壓力恢復(fù)能力，但也伴隨產(chǎn)生一定的能量損失。尾水管模型的數(shù)值計算尚不充分，但對于探討其減振機理和流場特征很有益處。進一步的模型試驗和現(xiàn)場測試對深入研究和優(yōu)化設(shè)計十分必要。

1.3 穩(wěn)流片數(shù)目和布置位置影響

研究已充分證明，穩(wěn)流片有明顯的減振效果，但在某些工況也對效率和局部渦動空蝕有一定影響，選擇合理的穩(wěn)流片數(shù)目和布設(shè)位置對于同時兼顧減振效果與降低負面影響十分有意義。

1）穩(wěn)流片數(shù)目

試驗研究比較了4個、2個和1個穩(wěn)流片下的壓力脈動降低效果，結(jié)論認為：即使對于1個穩(wěn)流片的情況，壓力脈動降低效果也十分明顯，能夠達到抑制共振的目的。當然，從6個測點的綜合結(jié)果評價，4個穩(wěn)流片時的效果要稍優(yōu)于2個或1個穩(wěn)流片情況。從頻率特性分析，當設(shè)置穩(wěn)流片時，臨界空化系數(shù)Ki（相當于共振點）降低，頻率能夠錯開。

2）穩(wěn)流片周向布置位置的影響

圖5 尾水管模型和測點布置

3）穩(wěn)流片軸向位置的影響

下面討論穩(wěn)流片在錐管段軸向布置位置對減振效果的影響，選擇一個具有較長錐管段的尾水管模型，其他部分與圖5的相同。穩(wěn)流片位置有兩種，第一方案為其頭部距進口21 mm，第二方案為穩(wěn)流片頭部距進口86 mm，分別稱為上游布置和下游布置。

從壓力脈動振幅的變化看，穩(wěn)流片設(shè)置在上游位置時，由于距進口近，進口附近的水流旋轉(zhuǎn)強度較下游突出，故減振效果更為明顯。

4）進口渦旋強度的影響

試驗研究了尾水管進口處水流旋轉(zhuǎn)強度對穩(wěn)流片減振效果的影響，分別選取m=1.0、1.25和1.40三種進口條件加以比較分析。

隨著渦旋強度增大，共振狀態(tài)的臨界空化系數(shù)Ki隨之增大。當m=1.25時，穩(wěn)流片可避開共振區(qū)，但當m=1.4時，由于渦流較強，穩(wěn)流片的減振效果不再表現(xiàn)明顯，如設(shè)置4個穩(wěn)流片，共振有可能反而變得強烈。分析原因，一方面是由于渦旋較強，穩(wěn)流片的作用受到限制。另一方面，由于穩(wěn)流片產(chǎn)生局部空化渦核，造成空腔體積增大。此時，脈動分量中同步分量Ψsy依然突出，共振特征明顯。

2 設(shè)置阻流柵

我國的一些水電站在低負荷出力時發(fā)生功率擺動和壓力脈動現(xiàn)象，為消減振動，嘗試提出了在尾水管內(nèi)的原有十字架上裝設(shè)阻流柵結(jié)構(gòu)，削弱了尾水管內(nèi)的旋回流強度，有效地破壞了引起發(fā)電機功率擺動的振源。阻流柵構(gòu)造如圖6所示。試驗結(jié)果指明，阻流柵應(yīng)盡量靠近轉(zhuǎn)輪，其柵條安裝在靠近管壁處效果較好。阻流柵的作用原理類似于穩(wěn)流片。阻流柵柵條加長并連接可形成隔板，其阻止旋回流的效果更為明顯，如甲水電站(見圖7)，安裝“Y”型隔板后消除了電機振蕩頻率與尾水管渦帶頻率重合而導(dǎo)致的共振，解決了功率擺動問題。但是，加設(shè)阻流柵或隔板會引起結(jié)構(gòu)的受力條件惡化，導(dǎo)致隔柵結(jié)構(gòu)或支承結(jié)構(gòu)(包括尾水管里襯)的破壞以及空化空蝕和噪聲等問題。

圖6 阻流柵結(jié)構(gòu)示意圖(長度單位：mm)

圖7 尾水管“Y”型阻流格板

3 設(shè)置導(dǎo)流柵

導(dǎo)流柵是對阻流柵的一種改進，柵條不是垂直于旋回水流方向，而是平行于旋轉(zhuǎn)流線，起引導(dǎo)水流的作用，將尾水管直錐段內(nèi)的流速分布引導(dǎo)為軸對稱，通過減小渦帶偏心距以達到消減壓力脈動的目的。由于其對水流環(huán)量的阻力較小，由導(dǎo)流柵引起的結(jié)構(gòu)振動較其他裝置要小，對機組效率的影響相對也較小。乙水電站的尾水管導(dǎo)流柵模型試驗成果如圖8所示。壓力脈動明顯降低，速度場的測量表明，流場更趨近于軸對稱分布，渦帶渦心更接近于中心。效率試驗表明，在大開度范圍內(nèi)，加導(dǎo)流柵后的效率較阻水柵及未采取措施前均提高1%以上。

圖8 導(dǎo)流柵的減振效果

丙水電站也進行了導(dǎo)流柵消振試驗，研究了導(dǎo)流柵數(shù)目、尺寸及位置等多種方案，結(jié)果表明，導(dǎo)流片位置以靠近尾水管外緣主流區(qū)且柵葉在錐段中間位置時效果較為理想。參照這一結(jié)果，丁水電站設(shè)計了導(dǎo)流柵并進行了現(xiàn)場試驗，低頻水壓脈動及頻率特性見圖9，對改善功率擺動的效果示于圖10中。結(jié)果說明，導(dǎo)流柵消振效果最佳，減輕功率擺動效果與阻流柵相近。

圖9 丁水電站尾水管減振效果示意圖

圖10 丁水電站尾水管功率擺動降低

4 安裝同軸圓柱

在尾水管中心安裝同軸圓柱后，它將主流和死水區(qū)隔開，渦帶及死水區(qū)的水流能量主要來自主流區(qū)，當主流區(qū)與死水區(qū)隔開后，死水區(qū)水流因得不到能量而不能形成渦帶，同時圓柱還有直接破壞渦核環(huán)流的作用。

5 結(jié)語

綜合以上分析內(nèi)容，結(jié)合抽水蓄能機組的實際狀況，可以考慮在水泵水輪機尾水管內(nèi)設(shè)置穩(wěn)流片、阻流柵、導(dǎo)流柵、同軸圓柱等結(jié)構(gòu)來減小壓力脈動引起的振動。

在實際應(yīng)用中，尾水管得壓力脈動的調(diào)整方式不僅僅限于結(jié)構(gòu)上增設(shè)裝置的措施，還可以通過補氣、延長泄水錐、優(yōu)化尾水管設(shè)計等方式。實踐證明，這方面還有許多問題需要進一步研究。

TK734

B

1672-5387（2017）06-0012-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.005

2017-03-06

溫占營（1984-），男，工程師，從事抽水蓄能電站建設(shè)、運維管理工作。