高水頭混流式水輪機(jī)尾水管渦帶特性 的試驗(yàn)研究

李廣府，盧 池

［東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，杭州市 310020］

0 引言

水輪機(jī)穩(wěn)定性問題本身比較復(fù)雜，難點(diǎn)多，牽涉的學(xué)科范圍廣，導(dǎo)致人們對(duì)其認(rèn)識(shí)沒有效率和空化的認(rèn)識(shí)深刻［1］。不穩(wěn)定現(xiàn)象主要包括卡門渦、葉道渦、水力共振、瞬態(tài)過程的不穩(wěn)定流動(dòng)和尾水管渦帶引起的低頻壓力脈動(dòng)[2]等。尾水管渦帶是水輪機(jī)中最大的不穩(wěn)定源，是導(dǎo)致機(jī)組乃至廠房振動(dòng)的最主要原因。因此研究尾水管渦帶的發(fā)展規(guī)律，尤其是形成渦帶后的脈動(dòng)特征如頻率、振幅、強(qiáng)度等，對(duì)于研究機(jī)組的消振、防震措施和指導(dǎo)水輪機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外的科研工作者采用真機(jī)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析的方法進(jìn)行尾水管渦帶引起壓力脈動(dòng)的研究，主要有以下四個(gè)方面[1]：①渦帶形成原因；②渦帶如何引起壓力脈動(dòng)；③渦帶壓力脈動(dòng)的相似換算及影響因素；④消除或降低渦帶壓力脈動(dòng)的措施和方法。張飛等對(duì)三峽機(jī)組部分負(fù)荷下尾水管壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試[3]，并采用加窗傅里葉變換根據(jù)主頻渦帶頻率成分出現(xiàn)的先后順序?qū)u帶負(fù)荷區(qū)劃分為渦帶生成區(qū)、強(qiáng)渦帶區(qū)和渦帶消亡區(qū)[4]。而M V Magnoli[5]等探討了尾水管渦帶的產(chǎn)生和水輪機(jī)運(yùn)行工況的直接關(guān)系，并將運(yùn)行范圍劃分為5個(gè)區(qū)域。桂中華[6]等基于CFD技術(shù)詳細(xì)討論了偏離最優(yōu)工況下尾水管內(nèi)死水域與渦帶的運(yùn)行規(guī)律。有的學(xué)者針對(duì)混流式水輪機(jī)開展導(dǎo)葉開口對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)的影響[7]、出口旋流與尾水管渦帶關(guān)系[8]的相關(guān)應(yīng)用研究，也有學(xué)者對(duì)其開展補(bǔ)氣[9]、補(bǔ)水[10]、改變尾水管與泄水錐型式[11-12]、增設(shè)導(dǎo)流板[13-14]等改善措施的研究。徐洪泉[15]等從四個(gè)方面優(yōu)化提出了減輕混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶危害的方法。

壓力脈動(dòng)是穩(wěn)定性的力特征，便于測(cè)量和定量分析；渦帶是穩(wěn)定性的流動(dòng)特征，便于觀察和感受[7]。此外，長(zhǎng)短葉片混流式水輪機(jī)由于具有較好的運(yùn)行品質(zhì)在常規(guī)電站[16]和抽蓄電站[17]得到較好的利用。因此本文以某低比轉(zhuǎn)速長(zhǎng)短葉片混流式水輪機(jī)模型為研究對(duì)象，開展了效率試驗(yàn)、空化試驗(yàn)和尾水管壓力脈動(dòng)試驗(yàn)，闡述了模型試驗(yàn)展開的流程并展示了模型試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)隨著空化系數(shù)降低和隨著導(dǎo)葉開度增加的尾水管渦帶形態(tài)的演變過程進(jìn)行了如實(shí)記錄。著重分析了隨著空化系數(shù)降低尾水管渦帶的演變過程和導(dǎo)葉開度對(duì)尾水管渦帶和尾水管壓力脈動(dòng)的影響。最后從理論上討論了尾水管渦帶演變過程的一般規(guī)律。

1 研究方法

1.1 模型試驗(yàn)臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)是在東芝水電水力機(jī)械模型通用試驗(yàn)臺(tái)（G1試驗(yàn)臺(tái)）上進(jìn)行的[2]。該試驗(yàn)臺(tái)的模型尺寸、試驗(yàn)水頭均滿足IEC的有關(guān)規(guī)定，其綜合誤差≤±0.25%。模型試驗(yàn)臺(tái)管路布置如圖1所示，其性能指標(biāo)如表1所示。

圖1 模型試驗(yàn)臺(tái)管路布置示意圖Figure 1 Pipeline layout arrangement of test stand

表1 試驗(yàn)臺(tái)的性能指標(biāo)Table1 Performance index of model stand

試驗(yàn)過程中通過調(diào)整頻閃儀的頻率使其與水輪機(jī)轉(zhuǎn)頻保持一致，就可以觀察尾水管中渦流特性，并以繪制草圖、拍照和錄像的方式記錄渦帶形態(tài)[18]。

1.2 研究對(duì)象

以某低比轉(zhuǎn)速長(zhǎng)短葉片混流式水輪機(jī)模型為研究對(duì)象，該轉(zhuǎn)輪包括13個(gè)長(zhǎng)葉片和13個(gè)短葉片，其標(biāo)稱直徑De=300mm（轉(zhuǎn)輪出口直徑）；活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為Zg=20，固定導(dǎo)葉數(shù)Zs=20（包括鼻端隔舌）。在距轉(zhuǎn)輪中心0.7De的尾水錐管上對(duì)稱布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（A和B），如圖2中所示。試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)方法[2]均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。nED=0.1808為最高水頭，nED=0.1850為額定水頭。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果

2.1 模型綜合特性曲線

選取10個(gè)導(dǎo)葉開度進(jìn)行了效率試驗(yàn)和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、在特征水頭下選取4個(gè)導(dǎo)葉開度進(jìn)行了空化試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了研究對(duì)象的模型試驗(yàn)綜合特性曲線，如圖3所示。

圖2 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Figure 2 Locations of the pressure survey point

圖3 模型綜合特性曲線Figure 3 Model turbine characteristics

2.2 尾水管渦帶

一般在低負(fù)荷工況水輪機(jī)以轉(zhuǎn)頻fn運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪出流具有較大的渦旋分量，尾水管中心一帶形成強(qiáng)制旋渦，渦流的偏心引起水流螺旋狀運(yùn)動(dòng)。中心部分的壓力達(dá)到汽化壓力時(shí)就會(huì)出現(xiàn)通常所說的螺旋狀渦帶[5-7]，如圖4所示。渦帶以自身旋轉(zhuǎn)頻率Ωrope繞渦帶螺旋軸線，并以進(jìn)動(dòng)頻率Ω繞尾水管中心軸線做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，它就周期性的影響尾水管內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)[1]。螺旋渦帶外面，水流以速度v流向下游，而在螺旋渦帶環(huán)繞的中心區(qū)域水流以速度vf流向上游。該區(qū)域被稱為死水域或者為逆向流區(qū)、回流區(qū)、再回流區(qū)[8]。死水域的表面是與主流相接的剪切面，布滿由流動(dòng)的剪切產(chǎn)生的微小渦絲，在運(yùn)動(dòng)過程中滿足流動(dòng)和空間兩方面的基本條件，微小渦絲逐漸合并形成渦帶[6]。

2.3 尾水管壓力脈動(dòng)特性曲線

尾水管壓力脈動(dòng)特性曲線如圖5所示。從圖中可以看出壓力脈動(dòng)隨導(dǎo)葉開度變化的基本趨勢(shì)大致與水輪機(jī)水力效率曲線呈鏡像關(guān)系：效率低時(shí)壓力脈動(dòng)幅值大，效率高時(shí)壓力脈動(dòng)幅值小，最高效率附近壓力脈動(dòng)幅值最小。可見壓力脈動(dòng)幅值和水輪機(jī)的水力損失存在某種正向比例關(guān)系。有研究表明[9-10]在渦帶工況區(qū)，尾水管內(nèi)補(bǔ)氣、補(bǔ)高壓水消除渦帶壓力脈動(dòng)的同時(shí)，能夠改變?cè)搮^(qū)域的效率，這說明水輪機(jī)效率和渦帶壓力脈動(dòng)有直接的關(guān)系。

圖4 尾水管渦帶示意圖Figure 4 Vortex rope of draft tube

圖5 尾水管壓力脈動(dòng)特性曲線Figure 5 Pressure fluctuation characteristics of draft tube

2.4 導(dǎo)葉開度對(duì)尾水管渦帶的影響

圖6展示了模型試驗(yàn)過程中隨著導(dǎo)葉開度變化對(duì)應(yīng)裝置空化系數(shù)下的尾水管渦流演變現(xiàn)象。從中可以看出：尾水管中有的出現(xiàn)渦帶，有的幾乎全部被死水域占據(jù)（aM=4mm、aM=6mm），有的全部被主流占據(jù)（aM=14mm）；渦帶呈現(xiàn)不同的形狀和尺寸，有的渦帶呈柱狀（aM=16mm）、有的渦帶呈紡錘體狀（aM=20mm）、有的渦帶呈螺旋狀（aM=10mm、aM=12mm）。

圖6 尾水管渦流現(xiàn)象照片F(xiàn)igure 6 Photos for draft tube vortex phenomena

在小導(dǎo)葉開度時(shí)（aM=4mm、aM=6mm）整個(gè)尾水管幾乎全被死水域占據(jù)。aM=8mm時(shí)，死水域的表面的微小渦絲逐漸匯聚形成不太明顯的嚴(yán)重偏心的螺旋形渦帶，渦帶從靠近上冠末端的泄水錐表面開始發(fā)展；隨著流量的進(jìn)一步增加，主流圓周和軸向速度達(dá)到一定的比例和分布狀況，為螺旋渦帶提供穩(wěn)定持續(xù)的能量，此時(shí)形成明顯的嚴(yán)重偏心的螺旋形渦帶（aM=10mm）。渦帶呈螺旋形，渦帶纏繞著整個(gè)死水域的外表，隨著死水域做著一種旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)渦帶伴隨著死水域在垂直方向上不斷地伸縮變化，時(shí)而變長(zhǎng)時(shí)而變短，渦帶的螺距也不斷變化。死水域不是靜止的，而是隨著時(shí)間變化做周期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。渦心在斷面內(nèi)隨著時(shí)間做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，螺旋渦帶誘發(fā)的誘導(dǎo)速度使得主流區(qū)內(nèi)擠壓部分區(qū)域壓力偏高，這對(duì)尾水管內(nèi)的壓力場(chǎng)有著非常大的影響。

隨著導(dǎo)葉開度增加，螺旋渦帶空腔直徑逐漸減小，圓周速度逐漸降低，直至渦帶逐漸消失（aM=14mm）。渦帶消失是轉(zhuǎn)輪出口的相對(duì)圓周速度降低的重要體現(xiàn)。有無(wú)轉(zhuǎn)輪的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明兩種狀態(tài)下的渦帶形態(tài)很不相同，這說明了轉(zhuǎn)輪在渦帶形成中的重要作用[19]。隨著導(dǎo)葉開度增加，導(dǎo)葉出流角增大，水輪機(jī)流量增加，如圖7所示。圖中展示了aM=8mm和aM=20mm時(shí)導(dǎo)葉出流角分別為90-62.2=27.8°和90-58.8=31.2°，改變了轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的入流狀態(tài)。導(dǎo)葉出流角和流量之間的關(guān)系可參見水輪機(jī)流量調(diào)節(jié)方程。

之后渦帶形狀為無(wú)螺旋的同心渦帶（aM=16mm）。渦帶在緊挨葉輪（泄水錐末端）后收縮，膨脹為圓柱狀，再收縮。隨著導(dǎo)葉開度增加，渦帶的整體形態(tài)沒有太大變化；但是膨脹區(qū)域呈紡錘狀（膨脹過程緩慢，收縮過程迅速，更像洋蔥狀），渦核直徑急劇增加（aM=20mm），壓力脈動(dòng)也逐漸增大，如圖5所示，有人將其稱為第二振動(dòng)區(qū)。此時(shí)水流的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反，但渦帶仍以較小的自身旋轉(zhuǎn)頻率Ωrope繞軸線旋轉(zhuǎn)，方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相同。

圖7 導(dǎo)葉出水角和轉(zhuǎn)輪出口速度三角形Figure 7 Guide vane outlet angle and velocity relations of runner outlet

圖8 壓力脈動(dòng)時(shí)頻域波形Figure 8 Pressure fluctuation and frequency of spectrum

2.5 時(shí)頻域波形圖

限于篇幅，文中僅展示具有典型壓力脈動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。圖中依次展示了導(dǎo)葉開度為aM=8mm、10mm、18mm和20mm的壓力脈動(dòng)時(shí)頻域波形圖，其中頻域波形圖中以轉(zhuǎn)速頻率作為基頻，以倍頻作為橫軸單位，傳感器安裝方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法參考文獻(xiàn)2。

從圖中可以看出：尾水管壓力脈動(dòng)存在較明顯的周期特性，主要的頻率成分為0.11fn、0.22~0.23fn（aM=18mm、20mm）和0.22~0.23fn、0.45~0.46fn（aM=8mm、10mm）等低頻成分，是典型的渦帶旋轉(zhuǎn)頻率。此外，還存在fn、3.5~4.1fn的頻率成分，可能與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)有關(guān)。

假設(shè)渦帶基頻脈動(dòng)Ω=0.11fn，在部分負(fù)荷工況，渦帶呈螺旋狀，壓力脈動(dòng)的頻率成分為2Ω和4Ω；而在超負(fù)荷工況，渦帶呈紡錘體狀，壓力脈動(dòng)的頻率成分為Ω和2Ω。此外，本文的研究模型表明：無(wú)螺旋的柱狀同心渦帶出現(xiàn)在無(wú)渦區(qū)后，與傳統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果不太一致，這可能和研究對(duì)象有關(guān)。

2.6 空化系數(shù)對(duì)尾水管渦帶的影響

圖9展示了模型試驗(yàn)過程中隨著空化系數(shù)降低的尾水管渦流演變現(xiàn)象，兩個(gè)水頭下的渦帶演變過程幾乎相同。當(dāng)空化系數(shù)足夠大時(shí)，尾水管中的強(qiáng)迫渦中心的壓力高于汽化壓力，渦核內(nèi)部不產(chǎn)生空腔汽蝕。但隨著空化系數(shù)逐漸降低，強(qiáng)制渦核開始產(chǎn)生空腔空化現(xiàn)象，流動(dòng)剪切產(chǎn)生的微小渦絲逐漸匯聚成渦面?？梢?，中心死水區(qū)域壓力降低是尾水管渦帶呈現(xiàn)的必要條件。

圖9 空化系數(shù)對(duì)尾水管渦帶的影響Figure 9 Development of vortex rope with variation of cavitation coefficient

以nED=0.1850為例，空化系數(shù)足夠大時(shí)，尾水管中無(wú)渦帶出現(xiàn)，隨著空化系數(shù)降低能夠看到尾水管渦流呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，之后透明狀的渦帶被煙霧狀渦帶代替從而被觀察到，這一過程一般稱為實(shí)心向空心發(fā)展。微小渦絲在運(yùn)動(dòng)過程中逐漸合并成一根螺旋渦帶（σCM=0.269），纖細(xì)的渦帶呈螺旋狀附著死水域和主流中間區(qū)域，隨著空化系數(shù)降低，渦帶空腔越來越粗（σCM=0.182）。接下來，螺旋渦帶偏心半徑進(jìn)一步減小，單螺旋渦帶變成雙螺旋渦帶（σCM=0.051），其相互纏繞隨著偏心半徑的減小最終以柱狀（σCM=0.036）和洋蔥狀（σCM<0.036）呈現(xiàn)?？栈禂?shù)越小渦帶越粗壯，渦核直徑不斷增大并周期性旋轉(zhuǎn)，噪聲和振動(dòng)強(qiáng)度均有明顯的增加。盡管葉片上的氣泡和間隙氣泡也在劇烈演變，但是和渦帶的形態(tài)有明顯的分別，屬于不同的空化類型。

3 理論分析

忽略摩擦損失的影響，對(duì)于勢(shì)流可以認(rèn)為導(dǎo)葉出口環(huán)量等于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量、轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量等于尾水管進(jìn)口環(huán)量。如圖7所示，取轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?，根?jù)速度三角形有：

將式（1）、式（2）代入式（3），得：

式中D2——葉片出口直徑；

n——模型機(jī)轉(zhuǎn)速；

Q——過機(jī)流量；

πD22/4——轉(zhuǎn)輪出口過水?dāng)嗝婷娣e；

當(dāng)式（4）中k2=nED/QED時(shí)，尾水管進(jìn)口無(wú)圓周速度分量vu2，k2只和轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑和轉(zhuǎn)輪出口邊有關(guān)，對(duì)于某一模型轉(zhuǎn)輪，k2為常數(shù)。這表明該線性函數(shù)控制帶狀區(qū)域內(nèi)，vu2接近或等于零，構(gòu)成了無(wú)渦區(qū)，它被稱為尾水管壓力脈動(dòng)理論控制線[7]。從圖3中也可以看出無(wú)渦區(qū)呈帶狀，在最優(yōu)工況點(diǎn)附近，將運(yùn)行范圍劃分為螺旋渦帶、無(wú)渦區(qū)和無(wú)螺旋渦帶三個(gè)區(qū)域。由此可見，尾水管渦帶的演變過程和水輪機(jī)的運(yùn)行工況有著密不可分的關(guān)系。

4 結(jié)論

基于模型試驗(yàn)研究了某一低比轉(zhuǎn)速長(zhǎng)短葉片混流式水輪機(jī)模型尾水管渦帶的演變過程。得到結(jié)論如下：

（1）尾水管渦帶是死水域的一部分，同時(shí)滿足流動(dòng)和空間兩方面的基本條件，微小渦絲才能逐漸合并形成渦帶。

（2）尾水管渦帶是水輪機(jī)中的最大不穩(wěn)定源，不僅關(guān)系到其運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)其水力性能也有直接的影響。

（3）隨著導(dǎo)葉開度的變化，尾水管渦帶經(jīng)歷死水域、螺旋渦帶、無(wú)渦帶、無(wú)螺旋渦帶四個(gè)演變過程。

（4）低空化系數(shù)是觀察尾水管渦帶的必要條件；隨著空化系數(shù)降低，尾水管渦帶從無(wú)到有、從小到大，對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響越大。

（5）尾水管渦帶的演變過程和水輪機(jī)的運(yùn)行工況有著密不可分的關(guān)系。