水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)傳遞特性研究

李金偉，于紀(jì)幸

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京市 100048）

0 引言

早年的抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱抽蓄電站）廠房抗振動(dòng)設(shè)計(jì)更為關(guān)注廠房整體共振復(fù)核和球閥機(jī)墩處的局部振動(dòng)，對(duì)廠房局部構(gòu)件如樓板、立柱以及樓梯等處的振動(dòng)關(guān)注很少，近年來(lái)國(guó)內(nèi)抽蓄電站陸續(xù)出現(xiàn)廠房強(qiáng)烈振動(dòng)現(xiàn)象，如張河灣抽蓄電站廠房局部構(gòu)件振動(dòng)偏大和噪聲超標(biāo)[1-3]、蒲石河抽蓄電站廠房局部構(gòu)件振動(dòng)偏大和噪聲超標(biāo)[4，5]、廣州抽蓄電站樓板出現(xiàn)裂縫等問題[6，7]，引起了行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注和重視。

抽蓄電站的機(jī)組和廠房是一個(gè)振動(dòng)耦合系統(tǒng)，激振源一定來(lái)自機(jī)組。經(jīng)統(tǒng)計(jì)近十年抽蓄電站機(jī)組和廠房振動(dòng)研究成果，絕大多數(shù)抽蓄電站的機(jī)組和廠房振動(dòng)均由水力原因引起，而水力原因與機(jī)組內(nèi)部的壓力脈動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系。對(duì)于抽蓄機(jī)組而言，其轉(zhuǎn)輪扁平的結(jié)構(gòu)形式和機(jī)組整體布局的緊湊性導(dǎo)致無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)相對(duì)比較顯著，這種壓力脈動(dòng)向機(jī)組上下游進(jìn)行傳遞將給機(jī)組部件和廠房局部構(gòu)件的運(yùn)行穩(wěn)定性造成重要影響，可以說無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)是造成抽蓄電站機(jī)組和廠房振動(dòng)的最為重要因素之一。

因此，開展水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)傳遞特性研究，有助于探究活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片間隙對(duì)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)混頻幅值和分頻幅值的影響規(guī)律，有助于理解機(jī)組內(nèi)部不同位置處壓力脈動(dòng)之間的聯(lián)系和相互影響關(guān)系，有助于避免在設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)相位共振等嚴(yán)重影響抽蓄電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的問題，有助于解決抽蓄電站實(shí)際存在的一些振動(dòng)問題，具有非常重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

1 機(jī)組基本參數(shù)

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測(cè)魚鎮(zhèn)附近的甘淘河上，距石家莊市直線距離53km，公路里程77km，距井陘縣城45km。電站總裝機(jī)容量1000MW，裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量250MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量16.75億kWh。機(jī)組基本參數(shù)如表1所示[8]。

表1 機(jī)組基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the unit

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與工況

現(xiàn)場(chǎng)主要對(duì)機(jī)組內(nèi)部的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，具體測(cè)點(diǎn)為蝸殼進(jìn)口1個(gè)、無(wú)葉區(qū)（活動(dòng)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前）2個(gè)、頂蓋下1個(gè)，共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

2個(gè)變負(fù)荷試驗(yàn)工況如下：

試驗(yàn)1：上水庫(kù)平均水位797.71m，下水庫(kù)平均水位471.70m，平均靜水頭326.01m，機(jī)組負(fù)荷分別為130.5MW、150.6MW、176.1MW、200.7MW、225.5MW、250.7MW；

圖1 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)Figure 1 Measuring points of pressure fluctuation

試驗(yàn)2：上水庫(kù)平均水位788.84m，下水庫(kù)平均水位472.60m，平均靜水頭316.24m，機(jī)組負(fù)荷分別為130.5MW、151.0MW、175.7MW、201.6MW、225.8MW、251.0MW。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采樣頻率為2kHz，每個(gè)工況下機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后數(shù)據(jù)采集2min。

3 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)傳遞特性研究

圖2顯示了靜水頭326.01m不同負(fù)荷工況下4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻譜，可以看出優(yōu)勢(shì)頻率為50Hz（葉片過流頻率）、100Hz（2倍葉片過流頻率）。

圖2 不同負(fù)荷工況下的壓力脈動(dòng)頻譜圖（一）Figure 2 Frequency spectrums of pressure fluctuation under different operation points

圖2 不同負(fù)荷工況下的壓力脈動(dòng)頻譜圖（二）Figure 2 Frequency spectrums of pressure fluctuation under different operation points

50Hz、100Hz壓力脈動(dòng)成分均來(lái)自無(wú)葉區(qū)，由活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片之間的動(dòng)靜干涉所引起，并向上下游進(jìn)行了傳遞，為了探究不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)之間的關(guān)系，本文分析了4個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)，如圖3所示。

由圖3可以看出：4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)總體基本一致。隨著負(fù)荷的增大，壓力脈動(dòng)50Hz分頻幅值總體呈遞減趨勢(shì)，100Hz分頻幅值先減小后增大。

以無(wú)葉區(qū)2測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，圖4顯示了蝸殼進(jìn)口、頂蓋下壓力脈動(dòng)分頻幅值（50Hz、100Hz）與無(wú)葉區(qū)2壓力脈動(dòng)分頻幅值的比值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)。

圖3 壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)（一）Figure 3 Variations of pressure fluctuation amplitude versus output for 50Hz and 100Hz

圖3 壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)（二）Figure 3 Variations of pressure fluctuation amplitude versus output for 50Hz and 100Hz

圖4 壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值的比值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)Figure 4 Ratio variations of pressure fluctuation amplitude versus output for 50Hz and 100Hz

由圖4可以看出：隨著負(fù)荷的增大，蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值與無(wú)葉區(qū)2壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢(shì)，說明無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)向上游傳遞的效應(yīng)不斷增強(qiáng)；頂蓋下壓力脈動(dòng)50Hz分頻幅值與無(wú)葉區(qū)2壓力脈動(dòng)50Hz分頻幅值的比值呈逐漸減小的趨勢(shì)，而100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢(shì)，說明無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)50Hz成分向下游傳遞的效應(yīng)不斷減弱，而由動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)100Hz成分向下游傳遞的效應(yīng)不斷增強(qiáng)。

以無(wú)葉區(qū)2測(cè)點(diǎn)分頻信號(hào)的相位為基準(zhǔn)，其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)分頻信號(hào)的相位差見圖5。

由圖5可以看出：①2次試驗(yàn)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分頻信號(hào)相位差變化較小，基本保持不變；②對(duì)于50Hz壓力脈動(dòng)分頻信號(hào)，無(wú)葉區(qū)1、頂蓋下與無(wú)葉區(qū)2相位差約90°。對(duì)于100Hz壓力脈動(dòng)分頻信號(hào)，頂蓋下與無(wú)葉區(qū)2相位差約135°，無(wú)葉區(qū)1與無(wú)葉區(qū)2相位差約180°。

圖5 壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻信號(hào)相位差隨負(fù)荷變化趨勢(shì)Figure 5 Phase differentials of pressure fluctuation signal versus output for 50Hz and 100Hz

4 結(jié)論

本文以改造前的張河灣抽蓄電站3號(hào)機(jī)組為對(duì)象，分析研究了無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的傳遞特性，主要結(jié)論如下：

（1）蝸殼進(jìn)口、無(wú)葉區(qū)、頂蓋下測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)分頻幅值（50Hz、100Hz優(yōu)勢(shì)頻率成分）隨負(fù)荷變化趨勢(shì)基本一致。

（2）隨著負(fù)荷的增大，蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值與無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)50Hz、100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢(shì)，說明無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)向上游傳遞的效應(yīng)不斷增強(qiáng)；頂蓋下壓力脈動(dòng)50Hz分頻幅值與無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)50Hz分頻幅值的比值呈逐漸減小的趨勢(shì)，而100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢(shì)，說明無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)50Hz成分向下游傳遞的效應(yīng)不斷減弱，而由動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)100Hz成分向下游傳遞的效應(yīng)不斷增強(qiáng)。

（3）不同水頭工況下，隨著負(fù)荷的增大，不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分頻信號(hào)相位差變化較小，基本保持不變。