導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對水電站流道壓力分布特性影響

陳 玉， 張 洋， 歐邦虎， 王 煜

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 宜昌 443002； 3.蒙江水力發(fā)電總廠， 貴州 都勻 558000)

1 研究背景

優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律作為水電站常用的調(diào)保措施，對水電站過渡過程中有效控制流道壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化具有重要的作用[1]。如江西力川龍頭寨水電站將原運(yùn)行的一段導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律改變?yōu)閮啥螌?dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，解決了水流慣性、機(jī)組慣性和調(diào)節(jié)性能三者的矛盾，達(dá)到了電能質(zhì)量最佳、水工建筑和機(jī)組造價(jià)最省的目的[2]。同時(shí)，不當(dāng)?shù)膶?dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，可能會引起引水道鋼管破裂、造成反水錘疊加使機(jī)組上抬、機(jī)組振動和噪音、機(jī)組飛逸破壞等。如巴布亞新幾內(nèi)亞Ok Menga水電站的兩臺機(jī)組由于過渡過程中閥門快速關(guān)閉引起尾水管液柱分離，造成尾水管直錐段爆炸[3]。

目前對于導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對水電站過渡過程的影響研究主要采用一維特征線法[4-5]，或是一維近似解析法[6]，或是一維降階數(shù)學(xué)處理法[7]。一維水力過渡過程的計(jì)算，將流道簡化為簡單管，以斷面中心點(diǎn)壓力作為斷面壓力值，忽略了同一斷面不同位置間壓力差值。特別是對于引水道短、流道尺寸大的壩后式水電站，過渡過程中流道同一斷面不同部位可能存在較大的壓力差值，這種壓力差值會造成流道局部破壞，以及機(jī)組振動和噪音，給水電站的安全運(yùn)行帶來威脅。隨著計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)[8]技術(shù)在水電站過渡過程中的運(yùn)用越來越成熟[9-16]，三維數(shù)值模擬計(jì)算的優(yōu)勢體現(xiàn)的也更加明顯：較一維數(shù)值模擬計(jì)算，通過三維數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果更能反映水電站過渡過程中流道空間的壓力變化及分布特性，對于準(zhǔn)確分析和評價(jià)過渡過程中水力機(jī)組及其流道的安全更為有效；與模型試驗(yàn)相比，三維數(shù)值模擬計(jì)算更能減少研究成本，反映出同樣細(xì)致精確的水力特性。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文以三峽右岸水輪發(fā)電機(jī)組水力過渡過程作為研究對象，通過構(gòu)建水電站全流道三維數(shù)值模型，以不可壓縮三維N-S方程為理論基礎(chǔ)，借助Fluent計(jì)算軟件及動網(wǎng)格技術(shù)，深入分析不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對水電站流道壓力分布的影響。研究結(jié)果可為水電站的安全運(yùn)行和管理提供參考。

2 研究對象及方法

2.1 研究對象

本文以三峽右岸水輪發(fā)電機(jī)組水力過渡過程作為研究對象，進(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對壩后式水電站流道壓力特性影響研究。三峽右岸水電站引水道軸線長122.677 m，內(nèi)徑12.4 m，壓力管道斷面當(dāng)量直徑與長度的比值最大達(dá)到了0.916，是典型的短引水道、大管徑壩后式水電站[17]。其水輪機(jī)型號為A858a-36.6，基本參數(shù)如下：轉(zhuǎn)輪直徑D=10.4 m，葉片數(shù)為15，固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉數(shù)均為24，飛輪轉(zhuǎn)矩GD2=450 000 t·m2。在額定工況下，其主要參數(shù)如下：出力為710 MW，流量為973.47 m3/s，水頭為85.0 m，轉(zhuǎn)速為75.0 r/min (7.85 rad/s)，上游水位為149 m，下游水位為62 m。

2.2 壩后式水電站全流道三維數(shù)值模型

2.2.1 數(shù)學(xué)模型 采用不可壓縮三維N-S方程對水輪機(jī)流道內(nèi)復(fù)雜的三維水流進(jìn)行數(shù)值模擬。

(1)

(2)

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式中：u、v和w為速度矢量u在x、y和z方向的分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；p為流體微元上的壓強(qiáng)，Pa；μ為動力黏度，Pa·s;Su、Sv、Sw為動量守恒方程中的廣義源項(xiàng)。

方程采用有限體積法進(jìn)行離散，壓強(qiáng)、速度采用SIMPLEC方法耦合，采用Spalart- Allmaras模型進(jìn)行內(nèi)部紊流計(jì)算。

對于水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動過程，采用轉(zhuǎn)輪平衡方程：

(5)

式中：Mt為水輪機(jī)的主動力矩，N·m；Mg為水輪機(jī)的阻抗力矩，N·m；J為機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量，t·m2；ω為機(jī)組轉(zhuǎn)動的角速度，rad/s，ω=2πn/60； dω/dt為機(jī)組角加速度，rad/s2；t為計(jì)算時(shí)間，s。在水電站的過渡過程中，當(dāng)發(fā)電機(jī)組丟棄掉負(fù)荷之后，其外部負(fù)載Mg相應(yīng)降低為0。而當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速達(dá)最大值后，數(shù)值模擬過程中的主動力矩Mt會變?yōu)樨?fù)值，機(jī)組出力即為其制動力，以減小轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速避免飛逸。

對于穩(wěn)定工況下的求解，即過渡過程還未開始時(shí)的計(jì)算，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，其值為已知的確定值。基于整個(gè)模型圍繞著Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以直接在Fluent的計(jì)算結(jié)果報(bào)告中提取到轉(zhuǎn)輪室葉片的扭矩，再根據(jù)N=M·ω進(jìn)行水輪機(jī)出力的求解；而對于過渡過程的計(jì)算，即三維非定常湍流的計(jì)算，由于在Fluent中選取的時(shí)間步長較小，可以直接基于方程式(5)由一階的積分公式求解，即ωi=ωi-1+Mi·dt/J，根據(jù)i-1時(shí)刻的轉(zhuǎn)速來推求i時(shí)刻的轉(zhuǎn)速，依次迭代，完成過渡過程的轉(zhuǎn)速求解。

2.2.2 邊界條件 過渡過程中流道壓力改變是水擊現(xiàn)象作用的結(jié)果，而水擊產(chǎn)生的根本原因在于水體的慣性和可壓縮性，故水電站過渡過程中研究的水體域?yàn)榭蓧嚎s流。若將Fluent軟件中的速度進(jìn)口(velocity-inlet)邊界條件用于可壓縮流，則可能導(dǎo)致非物理結(jié)果[18]。因此，本文以水電站進(jìn)水口斷面為進(jìn)口邊界，采用斷面平均壓強(qiáng)為壓力進(jìn)口(pressure-inlet)邊界條件；以尾水管出口斷面為出口邊界，采用斷面平均壓強(qiáng)為壓力出口(pressure-outlet)邊界條件，并給定了進(jìn)、出口斷面的湍流強(qiáng)度及水力直徑。

為了保證流體通量能夠順利在相連流體區(qū)域流通，將各區(qū)域的接觸面設(shè)置為交界面(interface)以進(jìn)行數(shù)據(jù)的直接交換。對于過水系統(tǒng)中的壓力管道、蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和尾水管與水流接觸的內(nèi)壁，以及轉(zhuǎn)輪體上的輪轂和葉片、泄水錐及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉等其他固體與流體的接觸面均設(shè)為固壁邊界條件(wall)，在壁面處采用無滑移的邊界條件，近壁區(qū)則采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.2.3 網(wǎng)格劃分 本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)水口進(jìn)口邊界距離尾水管出口邊界水平投影長度約為180 m，軸向投影長度約為100.5 m?；趯α鲌龅某醪脚袛?，結(jié)合網(wǎng)格劃分質(zhì)量要求、數(shù)值計(jì)算的收斂情況及網(wǎng)格無關(guān)性的精度驗(yàn)算，將水電站的發(fā)電機(jī)組過水系統(tǒng)整個(gè)計(jì)算域分割為6個(gè)子區(qū)域，分別為壓力管道區(qū)(含進(jìn)水口部分)、蝸殼區(qū)、固定導(dǎo)葉區(qū)、活動導(dǎo)葉區(qū)、轉(zhuǎn)輪室區(qū)、尾水管區(qū)(如圖1)。總共形成197.54×104個(gè)控制體單元及35.01×104個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，其中最大網(wǎng)格大小為0.263 m3，最小網(wǎng)格大小為9.41×10-6m3，平均網(wǎng)格大小為0.0182 m3，各區(qū)域網(wǎng)格單元?jiǎng)澐智闆r如表1所示。

表1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)及控制單元數(shù)分布情況

2.2.4 計(jì)算工況 針對水電站過渡過程的安全性評價(jià)，通常采用水電站設(shè)計(jì)水頭及最大水頭下甩負(fù)荷工況進(jìn)行流道最大壓力值和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速值安全性校核。本文以水輪機(jī)在設(shè)計(jì)水頭下甩全部負(fù)荷(710 MW)為計(jì)算工況。同時(shí)，為探求不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對流道壓力分布產(chǎn)生的差異，本文在三峽右岸水電站現(xiàn)行的三段折線式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的基礎(chǔ)上，擬定一段直線式及兩段折線式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，分別對其過渡過程中流道三維壓力分布及機(jī)組轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的水輪機(jī)導(dǎo)葉開度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)對不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的模擬，本文采用了Fluent軟件中的動網(wǎng)格技術(shù)，將所有的活動導(dǎo)葉擬作剛體，以Z軸為旋轉(zhuǎn)中心軸，通過寫入的UDF自定義編程函數(shù)，控制網(wǎng)格轉(zhuǎn)動角速度，進(jìn)而模擬導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律。動網(wǎng)格的更新采用彈簧近似光滑法與局部網(wǎng)格重構(gòu)組法相結(jié)合。

圖1三峽右岸水電站發(fā)電機(jī)組過水系統(tǒng)三維模型圖 圖23種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的導(dǎo)葉開度與關(guān)閉時(shí)間關(guān)系曲線

2.2.5 模型驗(yàn)證 對水電站過渡過程的數(shù)值模擬，實(shí)質(zhì)上是對水電站整個(gè)過流系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)三維非定常流過程的數(shù)值模擬。為加速非穩(wěn)態(tài)計(jì)算過程的收斂，需要對水電站額定工況下的整個(gè)過水系統(tǒng)進(jìn)行三維定常湍流的數(shù)值模擬計(jì)算，并以收斂的穩(wěn)態(tài)結(jié)果來對非穩(wěn)態(tài)的計(jì)算進(jìn)行流場的初始化。

根據(jù)收斂后的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，提取轉(zhuǎn)輪室區(qū)的扭矩可得M=9.42×107N·m，進(jìn)而可以計(jì)算出相應(yīng)的水輪機(jī)功率為N=M·ω=740 MW，對比三峽右岸水電站額定工況下的出力710 MW，二者間的誤差為4.2%。

完成非穩(wěn)態(tài)的所有迭代計(jì)算后，在Function Hooks中選擇Output文件，導(dǎo)出三段導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速變化(時(shí)間步長為0.005 s，計(jì)算時(shí)步為3 680)，與三峽右岸水電站轉(zhuǎn)輪實(shí)際的變化情況(實(shí)際轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速變化的具體數(shù)值來源于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司的調(diào)節(jié)保證計(jì)算報(bào)告)進(jìn)行對比，如圖3所示。進(jìn)一步求解二者之間的誤差，可知相對誤差在±0.03范圍之內(nèi)。

圖3中，縱坐標(biāo)軸β為轉(zhuǎn)速的相對值，即轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值；衡量誤差為計(jì)算轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的相對誤差，即ε=(β計(jì)算-β實(shí)際)/β實(shí)際。

結(jié)合穩(wěn)態(tài)計(jì)算工況下的出力比較以及非穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)速變化比較，誤差均較小，可認(rèn)為本文擬定的三維數(shù)值模擬計(jì)算模型結(jié)果可信。

2.3 壓力特性差異分析法

為了量化水電站過渡過程中流道同一斷面上不同部位的壓力差異，本研究采用自定義的“壓力特性差異分析法(Analysis on Pressure Distributing Characteristics Difference)”，其通過選定分布于同一斷面不同位置的監(jiān)測點(diǎn)，計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化過程，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)壓力差值在導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間上的累積效應(yīng)，獲得該斷面在導(dǎo)葉關(guān)閉過程中所有監(jiān)測點(diǎn)壓差極值的疊加值，以此作為該斷面的“壓力影響因子(Pressure Influenced Factor，PIF)”，用以評價(jià)該斷面在水電站過渡過程中垂直水流方向的斷面橫向壓差對其穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)PIF值越小時(shí)，說明該斷面在導(dǎo)葉關(guān)閉過程中其壓力分布越均勻，由于壓力差導(dǎo)致的局部破壞可能性越小，更能保證水電站的穩(wěn)定安全運(yùn)行，反之亦然。例如，針對水電站壓力鋼管段某一斷面，選定該斷面面積中心測點(diǎn)及外周對稱分布的兩個(gè)測點(diǎn)作為壓力差異監(jiān)測點(diǎn)，如圖1所示。其斷面壓力影響因子可表示為：

(6)

式中：PIF為監(jiān)測斷面壓力影響因子，Pa，可用圖4中陰影面積表示。為方便求和計(jì)算，PIF的計(jì)算壓力選取單位時(shí)間內(nèi)的時(shí)均壓力值，不考慮可能存在的脈動壓力值。Pmax、Pmin為測點(diǎn)在同一導(dǎo)葉關(guān)閉過程中，單位時(shí)間(1 s)內(nèi)的時(shí)均壓力值的最大值及最小值，Pa。

圖3轉(zhuǎn)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與計(jì)算轉(zhuǎn)速比較圖 圖4測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速瞬變規(guī)律

當(dāng)導(dǎo)葉分別采用一段直線關(guān)閉、兩段折線關(guān)閉及三段折線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，在導(dǎo)葉關(guān)閉初始時(shí)刻，由于水輪機(jī)主動力矩的作用，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速快速上升；隨著導(dǎo)葉的關(guān)閉，流道中水體流量減少，水輪機(jī)的主動力矩也呈現(xiàn)出下降趨勢，因而轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地降低。在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速下降的過程中，轉(zhuǎn)速仍然呈現(xiàn)出一定的波動趨勢，表明過渡過程中流場存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線見圖5。由于導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的差異，對比圖5中同一時(shí)刻3種不同的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速值，可發(fā)現(xiàn)三者存在明顯的差別：導(dǎo)葉一段直線關(guān)閉規(guī)律下水輪機(jī)轉(zhuǎn)速在整個(gè)過渡過程中明顯高于兩段折線關(guān)閉及三段折線關(guān)閉規(guī)律；因?qū)~兩段折線關(guān)閉規(guī)律在第一個(gè)折點(diǎn)前的關(guān)閉方式與三段折線關(guān)閉規(guī)律相同，故該階段二者的轉(zhuǎn)速變化過程完全一樣。在第一個(gè)折點(diǎn)過后，兩段折線式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的上升值明顯高于三段式關(guān)閉規(guī)律。具體分析這3種導(dǎo)葉關(guān)閉方案可知，導(dǎo)葉的關(guān)閉速度越快，相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速上升也越快。過渡過程中，分別采用一段直線、兩段折線及三段折線關(guān)閉規(guī)律情況下，得出水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值分別為108.159、106.832、105.875 rad/s，較額定轉(zhuǎn)速分別上升了44.2%、42.5%、42.2%。從數(shù)值結(jié)果上分析比較可知，相較于一段直線及兩段折線關(guān)閉規(guī)律，導(dǎo)葉三段折線關(guān)閉規(guī)律在水電站過渡過程中具有較好的轉(zhuǎn)速控制特性。

3.2 流道壓力空間分布差異性

3.2.1 壓力管道區(qū)域 對于三峽右岸水電站這種典型的直徑與長度比值較大的引水道，僅計(jì)算斷面中心點(diǎn)壓力值，可能出現(xiàn)極值弱化現(xiàn)象。為了綜合考慮在壓力管道上各斷面的壓力三維空間分布，本文取沿壓力管道長度的中心斷面(如圖6(a))為過渡過程壓力瞬變規(guī)律監(jiān)測斷面，并從頂部、中心、底部分別提取斷面上不同部位的3個(gè)測點(diǎn)的壓力變化過程進(jìn)行壓力管道上同一斷面不同部位的壓力瞬變規(guī)律對比分析。

圖5 3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

如圖6(b)～6(d)所示，在一段式、兩段式及三段式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下，這3個(gè)測點(diǎn)的壓力隨時(shí)間變化曲線幾乎呈現(xiàn)重合的趨勢，進(jìn)一步比較各導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律在同一時(shí)刻下斷面測點(diǎn)最大壓力及最小壓力差值極值， 并用樣條曲線連接繪制出壓差極值隨時(shí)間變化曲線。由圖6(b)～6(d)可知，對應(yīng)這3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，斷面測點(diǎn)壓力差值ΔP(ΔP=Pmax-Pmin)的最大值不超過250 Pa，即不超過0.025 m水柱，在同一斷面上的不同測點(diǎn)沒有表現(xiàn)出明顯的壓力差異。

3.2.2 蝸殼區(qū)域 在一維特征線法的物理模型中，蝸殼被簡化為與壓力鋼管連接的變斷面等價(jià)管。然而由于水流從壓力管道進(jìn)入蝸殼時(shí)，不但有斷面面積的變化，同時(shí)還存在斷面過流流量的變化，因此蝸殼進(jìn)口斷面的流場較壓力管道的流場更為復(fù)雜，特別是在水輪機(jī)發(fā)生流量急劇變化的過渡過程。為此，為探求過渡過程時(shí)蝸殼不同部位的壓力瞬變規(guī)律，取蝸殼進(jìn)口斷面作為壓力變化監(jiān)測斷面，并在進(jìn)口斷面上從頂部至底部依次選取3個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，如圖7(a)所示。

當(dāng)導(dǎo)葉分別采用一段式、兩段式及三段式關(guān)閉規(guī)律時(shí)，測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線也幾乎呈現(xiàn)出重合趨勢，如圖7(b)～ 7(d)所示。進(jìn)一步分析壓差極值隨時(shí)間變化曲線，可知同一時(shí)刻下斷面測點(diǎn)壓力差值的最大值不超過3000 Pa，即0.3 m水柱，也未顯示出明顯的壓力分布差異性。

圖6 壓力管道中心斷面測點(diǎn)分布及3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的各測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線

3.2.3 導(dǎo)葉區(qū)域 在采用一維特征線法對水輪機(jī)流道進(jìn)行水擊過程壓力計(jì)算時(shí)，通常將水輪機(jī)導(dǎo)葉簡化為閥門結(jié)構(gòu)。然而反擊式水輪機(jī)導(dǎo)葉是環(huán)向均勻分布于轉(zhuǎn)輪外緣，由于導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間及關(guān)閉規(guī)律的不同，往往在不同的導(dǎo)葉位置產(chǎn)生不同的壓力瞬變規(guī)律。為監(jiān)測壩后式水電站過渡過程中導(dǎo)葉壓力變化的空間差異，選取活動導(dǎo)葉外緣環(huán)向斷面為監(jiān)測斷面，其中在外緣斷面上對稱選取4個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，如圖8(a)所示，7#測點(diǎn)位于蝸殼進(jìn)口斷面的內(nèi)緣，8#、9#、10#測點(diǎn)沿其圓周順時(shí)針方向均勻分布，并且此4個(gè)測點(diǎn)在豎直方向上均位于導(dǎo)葉中間平面上。

水流運(yùn)動受到蝸殼不對稱結(jié)構(gòu)及活動導(dǎo)葉不規(guī)則空間扭曲面結(jié)構(gòu)的影響，在3種不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出一定的差異，如圖8(b)～ 8(d)所示。與蝸殼斷面壓力分布相比，當(dāng)水流流入導(dǎo)葉區(qū)域時(shí)，水流只能通過導(dǎo)葉的間隙流動，斷面面積急劇收縮，導(dǎo)致壓力較蝸殼斷面出現(xiàn)下降。而對比同種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下活動導(dǎo)葉外緣斷面各測點(diǎn)間的差異，其壓力隨時(shí)間變化趨勢相同，在導(dǎo)葉關(guān)閉初始時(shí)刻呈現(xiàn)快速增長的趨勢；爾后因?yàn)榱髁康臏p少及水體阻力的增加，這種增長趨勢有所減緩；而在關(guān)閉后期由于流場不穩(wěn)定的影響，又出現(xiàn)了小幅度的波動，空間分布差異性較為明顯，壓力最大差值達(dá)6.79×104Pa。

圖7 蝸殼入口斷面測點(diǎn)分布及3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的各測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線

圖8 活動導(dǎo)葉外緣環(huán)向斷面測點(diǎn)分布及3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的各測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線

3.2.4 轉(zhuǎn)輪區(qū)域 在水電站過渡過程中，轉(zhuǎn)輪區(qū)域產(chǎn)生與引水道相反的水擊波傳遞過程，當(dāng)水輪機(jī)突然甩負(fù)荷、導(dǎo)葉迅速關(guān)閉截?cái)嗨鲿r(shí)，在轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)將會出現(xiàn)迅速的壓力瞬變過程。為監(jiān)測轉(zhuǎn)輪區(qū)域的壓力瞬變過程，選取轉(zhuǎn)輪出口斷面作為轉(zhuǎn)輪區(qū)域的監(jiān)測斷面，并在斷面不同位置上設(shè)置了3個(gè)測點(diǎn)，如圖9(a)所示，11#測點(diǎn)位于轉(zhuǎn)輪出口斷面的中點(diǎn)處，12#與13#測點(diǎn)關(guān)于11#測點(diǎn)為對稱，并且分布在其左右兩側(cè)。

水流從導(dǎo)水機(jī)構(gòu)間隙進(jìn)入轉(zhuǎn)輪區(qū)域，與轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生碰撞，水頭損失較大；水流隨著轉(zhuǎn)輪體共同進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動，同時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片又對水流有一定的拒水作用，這種水流的復(fù)雜三維運(yùn)動在轉(zhuǎn)輪體中形成了一系列的渦流，進(jìn)而轉(zhuǎn)輪出口斷面這3個(gè)測點(diǎn)隨著導(dǎo)葉關(guān)閉，其壓力分布特性各異，產(chǎn)生了明顯的壓力分布差異。在3種不同的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下，轉(zhuǎn)輪出口斷面已經(jīng)出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，斷面壓力差值最大值達(dá)2.40×105Pa，如圖9(b)～ 9(d)所示。與轉(zhuǎn)輪出口斷面中心11#測點(diǎn)對稱的12#及13#測點(diǎn)的壓力分布并不呈現(xiàn)對稱變化的規(guī)律，不滿足力矩平衡的條件，可能產(chǎn)生額外的力矩增加水頭損失，影響轉(zhuǎn)輪的正常運(yùn)行。同時(shí)，12#及13#測點(diǎn)的壓力值明顯大于11#測點(diǎn)，若采用斷面中心的壓力值代替整個(gè)斷面的極值，會出現(xiàn)極值弱化的現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)輪出口斷面可能出現(xiàn)流道局部破壞，這些都不利于水電站的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

3.2.5 尾水管區(qū)域 水電站過渡過程中，尾水管區(qū)域水流形成強(qiáng)烈紊流及壓力脈動，對水輪機(jī)及流道產(chǎn)生安全威脅。為監(jiān)測尾水管區(qū)域壓力瞬變規(guī)律，對于尾水管出口斷面較大且布置有中墩的水電站，選取尾水管肘管出口與中墩起始位置相接的斷面作為壓力監(jiān)測斷面。尾水管區(qū)域監(jiān)測斷面測點(diǎn)分布如圖10(a)所示，在尾水管肘管段出口斷面中心位置設(shè)置測點(diǎn)14#，左側(cè)中墩與左側(cè)邊墩的中間位置處設(shè)置測點(diǎn)15#，在右側(cè)中墩與右側(cè)邊墩的中間位置處設(shè)置測點(diǎn)16#。

尾水管區(qū)域緊接著轉(zhuǎn)輪區(qū)域，水流的流動受到轉(zhuǎn)輪體的影響，也產(chǎn)生了較大的負(fù)壓區(qū)，壓力差異特性明顯。同一測點(diǎn)，隨著導(dǎo)葉的關(guān)閉，壓力變化波動起伏較大，反映出流場的不穩(wěn)定性。尾水管內(nèi)部存在大量的渦流，水流與中墩碰撞后能量損失極大，斷面壓力分布不均，流動紊亂，同一斷面不同測點(diǎn)的壓力差值最大值達(dá)到了2.81×104Pa(圖10(b)～ 10(d))。尾水管斷面選定的對稱分布的測點(diǎn)，其壓力隨時(shí)間變化并未出現(xiàn)明顯的對稱性質(zhì)，各測點(diǎn)間產(chǎn)生的壓力差異將造成水流在尾水管中流動的紊動性，可能與機(jī)組產(chǎn)生共振以增強(qiáng)機(jī)組的振動，進(jìn)一步可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音。

圖9 轉(zhuǎn)輪出口斷面測點(diǎn)分布及3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的各測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線

3.3 流道不同區(qū)域壓力空間分布差異性比較分析

根據(jù)壓力特性差異分析法，不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下，三峽右岸水電站流道不同斷面上的壓力分布差異以壓力影響因子表征，如表2所示。由表2可知，壓力管道中心斷面和蝸殼入口斷面的壓力影響因子明顯小于其他斷面，說明這兩個(gè)斷面壓力空間分布差異不明顯；活動導(dǎo)葉外緣斷面、轉(zhuǎn)輪出口斷面及尾水管肘管段出口斷面的壓力空間分布差異較大，可能引起水流局部湍動加強(qiáng)，增加水頭損失，同時(shí)造成局部結(jié)構(gòu)破壞。

圖10 尾水管肘管段出口斷面測點(diǎn)分布及3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的各測點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線

表2 3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的各斷面壓力影響因子 Pa

根據(jù)不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的壓力影響因子得出，導(dǎo)葉采用一段直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，蝸殼入口斷面的壓力空間差異最??；當(dāng)導(dǎo)葉采用兩段折線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，壓力管道中心斷面及轉(zhuǎn)輪出口斷面的壓力空間差異最?。划?dāng)導(dǎo)葉采用三段折線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，活動導(dǎo)葉外緣斷面及尾水管肘管段出口斷面的壓力空間差異最小?？梢姡煌膶?dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對流道壓力空間分布特性有較大影響。表2中通過計(jì)算不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的流道各監(jiān)測斷面壓力影響因子的累加值，得出其總壓力影響因子，用于量化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對水電站流道壓力空間分布差異的整體影響。結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)葉采用兩段折線式關(guān)閉規(guī)律時(shí)，計(jì)算得到的總壓力影響因子值最小。說明三峽水電站采用兩段折線式關(guān)閉規(guī)律較一段式和三段式關(guān)閉規(guī)律，流道各區(qū)域相同斷面的壓力分布最為均勻，空間差異性最小，可有效減小由于壓力空間差異性而造成的局部水流紊動以及流道局部失穩(wěn)，有利于水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論與討論

(1)當(dāng)采用不同的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律時(shí)，水電站流道的不同區(qū)域則產(chǎn)生了不同的壓力分布特性：水電站壓力管道及蝸殼入口區(qū)域的壓力空間分布差異性較小，而活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪出口及尾水管肘管段區(qū)域的壓力空間差異性較大。說明采用斷面壓力均值表示壩后式水電站流道壓力瞬變特性有一定的局限性，可能造成斷面壓力極值的弱化，給水電站的穩(wěn)定安全運(yùn)行帶來潛在威脅。

(2)壩后式水電站采用三段折線式關(guān)閉規(guī)律，相較于一段直線式和兩段折線式關(guān)閉規(guī)律，可有效限制轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速上升的最大值，有利于防止水力過渡過程中發(fā)生機(jī)組飛逸破壞。

(3)在壩后式水電站甩全負(fù)荷過渡過程中，當(dāng)采用兩段折線式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律時(shí)，相較于一段直線式和三段折線式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，能使得流道同一斷面壓力空間分布差異最小，有利于防止流道局部結(jié)構(gòu)破壞，保障水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在水力過渡過程中往往伴隨著高頻的壓力脈動，但本文主要比較水力過渡過程中不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下水電站流道時(shí)均壓力空間分布差異，忽略了這種高頻脈動，可能與流道實(shí)際水流現(xiàn)象存在略微偏差，但不影響壓力特性差異分析。