莫莫克水利樞紐發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量測(cè)試探討

謝 誼

(新疆海天工程監(jiān)理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 問(wèn)題的提出

莫莫克水利樞紐是提孜那甫河上控制性水利樞紐工程，兼具防洪、灌溉和發(fā)電任務(wù)，該水利樞紐水輪機(jī)凈水頭均在71-113m變動(dòng)，為達(dá)到水力資源充分利用的目的，必須通過(guò)簡(jiǎn)單且行之有效的方法進(jìn)行該水利樞紐發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水流量計(jì)算。

國(guó)家相關(guān)規(guī)范規(guī)定，額定水頭下發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)圓柱式導(dǎo)葉流水量應(yīng)控制在水輪機(jī)額定流量的3‰，發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量是進(jìn)行水輪機(jī)制造、安裝質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，若發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)封水嚴(yán)密性存在問(wèn)題，則會(huì)在漏水量增大的同時(shí)引發(fā)間隙空蝕破壞，甚至導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無(wú)法順利停機(jī)，威脅機(jī)組運(yùn)行安全。通常情況下通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量評(píng)定，但是這方面的計(jì)算及測(cè)定并無(wú)相關(guān)規(guī)定，在實(shí)踐中采用較多的是斜井法、通氣孔法、超聲波法和節(jié)流孔板法等，也取得了一些研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為此，文章采用實(shí)踐中應(yīng)用較多的通氣孔法和充水管流量法分別進(jìn)行莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量測(cè)試，并進(jìn)行兩種方法測(cè)試結(jié)果的比較及具體應(yīng)用的探討，以確保水利樞紐發(fā)電機(jī)組高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行。

2 導(dǎo)葉漏水量測(cè)試

根據(jù)對(duì)該機(jī)組結(jié)構(gòu)的分析，水輪機(jī)流道主要包括進(jìn)水口工作閘門(mén)、壓力鋼管、導(dǎo)葉、蝸殼及尾水管等部分，其進(jìn)水口工作閘門(mén)屬于平板門(mén)，通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)開(kāi)啟，并借助結(jié)構(gòu)自重關(guān)閉；設(shè)置在工作閘門(mén)后方流道結(jié)構(gòu)上的通氣孔則屬于規(guī)則形狀的圓柱體；當(dāng)關(guān)閉工作閘門(mén)后便主要借助其上方設(shè)置的充水管實(shí)現(xiàn)對(duì)蝸殼和壓力鋼管的充水，將尾水閘門(mén)提起后，尾水可直接與大氣連通。

2.1 通氣孔法

莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組工作閘門(mén)后方設(shè)置進(jìn)水口流道和2個(gè)通氣孔，通氣孔直徑D1均為1.8m，進(jìn)水口底坎和上沿設(shè)計(jì)高程分別為108m和121.2m。通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析發(fā)電機(jī)組工作閘門(mén)關(guān)閉前后過(guò)程不難發(fā)現(xiàn)，工作閘門(mén)在t0時(shí)刻從全開(kāi)位狀態(tài)開(kāi)始下落，到t1時(shí)刻時(shí)工作閘門(mén)達(dá)到較小開(kāi)度，且水輪機(jī)壓力鋼管內(nèi)進(jìn)入的水量比導(dǎo)葉漏出水量小，所以造成進(jìn)水口流道內(nèi)總水量持續(xù)減小，通氣孔中原與上游水位相同的水位及蝸殼壓力均出現(xiàn)下降趨勢(shì)；而到t2時(shí)刻時(shí)工作閘門(mén)全部關(guān)閉，水輪機(jī)流道中由上游水庫(kù)所流入的水流被完全截?cái)啵ぷ鏖l門(mén)漏水量微乎其微，故可忽略不計(jì)；到t3時(shí)刻時(shí)進(jìn)水口平段流道通氣孔內(nèi)的水全部漏損完畢，由于通氣孔截面積遠(yuǎn)比壓力鋼管截面積小，故水面下降速度減緩，蝸殼壓力曲線(xiàn)也隨之變得平緩。

通過(guò)以上分析可以看出，水輪機(jī)組蝸殼壓力、壓力表安裝高程及通氣孔水位等變量之間存在函數(shù)關(guān)系，表示如下：

h=100(P+P′)+Hy

(1)

式中：h為通氣孔水位，m；P為蝸殼壓力，MPa；Hy為蝸殼壓力表讀數(shù)誤差，MPa；Hy為壓力表實(shí)際安裝高程，m，取62m。當(dāng)水輪機(jī)流道進(jìn)水口工作閘門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，h同上游庫(kù)水位。而當(dāng)上游水位達(dá)到H01時(shí)，根據(jù)蝸殼壓力表實(shí)際讀數(shù)P，便可求出壓力表讀數(shù)誤差P′，公式如下：

(2)

t2- t3時(shí)段內(nèi)通氣孔對(duì)壓力鋼管的流量均值可根據(jù)蝸殼壓力變化進(jìn)行確定，具體如下：

(3)

通氣孔內(nèi)水位下降主要由導(dǎo)葉間隙漏水引起，故t2- t3時(shí)段內(nèi)導(dǎo)葉間隙總漏水量應(yīng)與同期孔內(nèi)水量減少量相等，且兩者還具有相同的變化率。若當(dāng)t2- t3時(shí)段超出60s，則通氣孔內(nèi)水流流速對(duì)漏水量的影響可忽略不計(jì)，此時(shí)q1與通氣孔內(nèi)水位近似相等，且下游尾水位與瞬時(shí)漏水流量H02相等。

考慮到莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)蝸殼壓力傳感器實(shí)際安裝高程62m比導(dǎo)葉中心高程57m高，故導(dǎo)葉間隙出流主要表現(xiàn)為淹沒(méi)出流，且出流流量與導(dǎo)葉兩側(cè)通氣孔水位和下游尾水位差之間存在一定函數(shù)關(guān)系[1]。當(dāng)工作閘門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)且通氣孔水位與上游庫(kù)水位相等時(shí)發(fā)電機(jī)組基本為備用狀態(tài)，則導(dǎo)葉密封間隙實(shí)際漏水量可按下式計(jì)算：

(4)

式中：H1為上游庫(kù)水位，m；H2為下游尾水水位，m；H為水輪機(jī)凈水頭，m，H=H1-H2。

自定義莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)為β1，表示如下：

(5)

則有：

(6)

對(duì)于莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組而言，其導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)β1的大小主要取決于工作閘門(mén)完全閉合后通氣孔內(nèi)水量變動(dòng)情況、上游庫(kù)水位及下游尾水水位，且與水輪機(jī)凈水頭H無(wú)直接關(guān)系，故以上所推導(dǎo)出的(6)式對(duì)于任意水頭下導(dǎo)葉漏水量均適用。值得注意的是，壓力鋼管截面主要為圓形設(shè)計(jì)，為降低實(shí)際分析過(guò)程及結(jié)果誤差，應(yīng)使t3時(shí)段盡可能靠前，并將t2- t3時(shí)段控制在30s左右。如遇較大的導(dǎo)葉漏水量，則會(huì)加速蝸殼壓力下降，t2- t3時(shí)段也相應(yīng)較短，甚至工作閘門(mén)尚未完全閉合，通氣孔內(nèi)水量已全部漏損，此時(shí)文章方法計(jì)算結(jié)果的誤差較大。

2.2 充水管流量法

打開(kāi)充水閥并使工作閘門(mén)和導(dǎo)葉均關(guān)閉，通過(guò)充水時(shí)間的延長(zhǎng)使導(dǎo)葉漏水流量和充水管流量達(dá)到平衡，并使通氣孔內(nèi)水位趨于穩(wěn)定。此種情況下充水管內(nèi)淹沒(méi)出流便表現(xiàn)出明顯的有壓管內(nèi)恒定流形態(tài)，根據(jù)通氣孔內(nèi)水位實(shí)測(cè)值進(jìn)行充水管流量值的推算。莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組進(jìn)水孔口實(shí)際尺寸為9.2m×13.2m，且其面積大于工作閘門(mén)充水管截面積(0.246m2)，故進(jìn)行水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量測(cè)試時(shí)可忽略工作閘門(mén)上游水流行進(jìn)流速及閘門(mén)后壓力鋼管水流行進(jìn)流速。充水管流量表示如下：

(7)

(8)

式中：q2為充水管流量，m3/s；μc為沖水管流量系數(shù)；A為水輪機(jī)工作閘門(mén)充水管截面積，m2；g為重力加速度，m/s2；z為水輪機(jī)工作閘門(mén)前后實(shí)際水位差，m，即上游庫(kù)水位H01與通氣孔內(nèi)水位h01差；λ為水輪機(jī)充水管內(nèi)水流沿程實(shí)際阻力系數(shù)；l為充水管長(zhǎng)，m；d為充水管直徑，m；∑ξ為充水管局部水頭損失系數(shù)和?？紤]到3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)流道水量處于平衡狀態(tài)，故充水管流量q2與導(dǎo)葉漏水流量相等。

考慮到莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉實(shí)際安裝高程與下游尾水水位的關(guān)系，導(dǎo)葉密封間隙出流表現(xiàn)為淹沒(méi)出流，導(dǎo)葉間隙漏水流量與通氣孔水位、下游尾水水位差之間表現(xiàn)為一定函數(shù)關(guān)系[1]。當(dāng)機(jī)組工作閘門(mén)全開(kāi)、通氣孔實(shí)際水位低于上游庫(kù)水位的過(guò)程中，應(yīng)按下式確定導(dǎo)葉密封時(shí)的漏水流量：

(9)

自定義莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)β2，表示如下：

(10)

則可得：

(11)

流道平衡時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)是影響該發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)β2的主要因素，其不受機(jī)組凈水頭影響，故推導(dǎo)出的(10)式適用于任意水頭下導(dǎo)葉漏水量的計(jì)算。莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)工作閘門(mén)充水管實(shí)際長(zhǎng)度l為1.87m，工作閘門(mén)充水管直徑d為0.56m，其主要采用鍍防腐層鋼管材料，壁面當(dāng)量粗糙度△≈0.15mm，故雷諾數(shù)可按下式計(jì)算：

Re=vd/ν

(12)

式中：Re為雷諾數(shù)；v為工作閘門(mén)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)水流流速，m/s，取12.53m/s；ν為10℃環(huán)境下水的運(yùn)動(dòng)黏滯性系數(shù)，cm2/s，取1.335×10-2cm2/s。所得出的雷諾數(shù)為5.25×106，根據(jù)莫迪圖可以得出，充水管內(nèi)水流沿程阻力系數(shù)λ為0.0145[2]。由于該發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)充水管入口為圓錐形設(shè)計(jì)，故充水管局部水頭損失系數(shù)ξ1取0.2；彎肘段局部水頭損失系數(shù)ξ2取0.294；出水表現(xiàn)為淹沒(méi)出流，則出口位置局部水頭損失系數(shù)ξ3取1.0；則∑ξ=ξ1+ξ2+ξ3=0.2+0.294+1.0=1.494。

將以上參數(shù)及取值帶入式(7)便可得出：

(13)

該式的得出使得莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量的計(jì)算過(guò)程更為簡(jiǎn)化。

3 導(dǎo)葉漏水量比較及應(yīng)用

3.1 導(dǎo)葉漏水量比較

將實(shí)際數(shù)據(jù)分別帶入式(6)和(11)便能將不同庫(kù)水位、不同觀(guān)測(cè)時(shí)間下的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相同庫(kù)水位下的發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水流量，從而實(shí)現(xiàn)同環(huán)境、同時(shí)間內(nèi)不同機(jī)組導(dǎo)葉漏水量的對(duì)比分析。雖然上述自定義莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)β1和β2表達(dá)式不同，但均體現(xiàn)的是凈水頭與漏水流量之間的關(guān)系，單位相同，量綱一致，具有可直接比較屬性。為此可將式(6)和(11)統(tǒng)一表示如下：

(14)

通過(guò)進(jìn)一步分析β1和β2兩個(gè)系數(shù)的計(jì)算過(guò)程可以看出，該系數(shù)主要取決于水輪機(jī)導(dǎo)葉實(shí)際密封狀態(tài)，且與水輪機(jī)水頭等參數(shù)無(wú)管，并能體現(xiàn)導(dǎo)葉實(shí)際密封狀態(tài)。

3.2 實(shí)際計(jì)算

根據(jù)莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)工作閘門(mén)快速關(guān)閉趨勢(shì)圖，2020年4月5日其上游庫(kù)水位及下游水位分別為1865.3m和865.4m，在90s的時(shí)間段內(nèi)蝸殼壓力從0.901MPa快速降至0.579MPa，則通過(guò)式(5)可以得出β1為0.212m5/2/s。由莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組流道充水平壓過(guò)程趨勢(shì)圖可知，2020年4月26日其上游庫(kù)水位及下游水位分別為1861.84m和862.3m，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)閘門(mén)前后水位差為6.0m，則應(yīng)用式(10)可以得出β2為0.223m5/2/s。分別按照以上兩個(gè)導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)所計(jì)算得導(dǎo)葉漏水流量值僅相差5%，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，文章所提出的兩種導(dǎo)葉漏水流量計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果誤差小、準(zhǔn)確度高[3]。

3.3 導(dǎo)葉密封檢修

正常密封狀態(tài)下水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)范圍可以根據(jù)水輪機(jī)額定水頭、額定流量等進(jìn)行計(jì)算，將實(shí)際測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)估水輪機(jī)導(dǎo)葉密封效果。按照相關(guān)規(guī)范，圓柱式導(dǎo)葉漏水量在額定水頭下應(yīng)不超出水輪機(jī)額定流量的3‰。莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組額定水頭85m，額定流量960m3/s，在此額定水頭下水輪機(jī)導(dǎo)葉最大漏水流量為2.88m3/s，則可得出導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)β的最大值為0.312m5/2/s，該值與以上所計(jì)算出的β1=0.212m5/2/s和β2=0.223m5/2/s值均較為接近，表明莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉密封符合相關(guān)規(guī)范。該樞紐工程每年均采用實(shí)地測(cè)量方式進(jìn)行導(dǎo)葉密封情況的檢修和評(píng)估，檢修過(guò)程中主要將水輪機(jī)過(guò)水流道的水排空，并實(shí)際測(cè)量其間隙大小，這種常規(guī)性的做法涉及流道進(jìn)人門(mén)開(kāi)啟、排水等操作，工序復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而采用文章所提出的計(jì)算方法，根據(jù)所得出的導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)β的取值進(jìn)行導(dǎo)葉實(shí)際密封效果評(píng)價(jià)，既能保證評(píng)價(jià)結(jié)論的準(zhǔn)確性，又能克服常規(guī)檢修方法的弊端，節(jié)省成本，提升工效。

4 結(jié) 論

綜上所述，分別采用通氣孔法和充水管流量法進(jìn)行了莫莫克水利樞紐3#發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量測(cè)試，根據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的比較表明，兩種方法所得結(jié)果十分接近且均正確可信，能夠滿(mǎn)足該水利樞紐發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)在不同水頭下導(dǎo)葉漏水流量計(jì)算要求；所提出的導(dǎo)葉漏水流量系數(shù)參數(shù)可客觀(guān)反映導(dǎo)葉實(shí)際密封情況，并可取代常規(guī)導(dǎo)葉密封檢修方式，簡(jiǎn)化檢修過(guò)程，提升檢修工效。