江坪河水电站水轮机模型验收试验及分析

黄大俊，李文化

（1.湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌443002；2.湖北华清电力有限公司，湖北 鹤峰 445800）

江坪河水电站水轮机模型验收试验及分析

黄大俊1，李文化2

（1.湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌443002；2.湖北华清电力有限公司，湖北 鹤峰 445800）

为了检验江坪河水电站水轮机模型水力性能，进行了水轮机模型试验，介绍了江坪河水电站水轮机模型验收试验的试验台及误差分析、效率及出力、空化、飞逸转速、轴向水推力、压力脉动等试验方法和结果，并对试验结果进行了分析。验收试验结果表明，为江坪河水电站研制的水轮机模型水力性能优异，完全满足用于真机设计、制造的要求。

江坪河水电站；水轮机；模型；试验

江坪河水电站是溇水梯级开发的龙头电站，具有多年调节能力，其建成后作为电网调峰电源。江坪河水电站装机为2台单机225 MW的立轴混流式机组，由于受江坪河上游来水量的限制，机组平均年利用小时仅2 240 h。

设计提出的电站及水轮机主要参数如下：

额定水头153.00 m；最高水头178.89 m；最低水头131.26 m；加权平均水头163.95 m；水轮机额定出力228.4 MW；机组额定转速187.5 r/min。

机组经2007年底公开招标，中标单位为东芝水电设备（杭州）有限公司，合同约定水轮机模型试验在日本横槟东芝水力试验室进行。首先由东芝水电进行初步模型试验并提交报告，在此基础上再进行模型验收试验。

1 试验台及模型

2009年4月初，本模型验收试验在东芝水力实验室的3号试验台上进行（见图1），试验按《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》（IEC60193－1999）规定进行，买方及工程设计单位代表参与了验收试验。

试验台是一个循环系统，主要由1 600 m3主蓄水池、贮水池、工作水泵、冷却泵、压力水箱、尾水箱、200 kW测功电机、流量测量及率定装置、转速测量装置、压力测量装置等组成，主要参数为：最大试验水头40 m，最大流量100 m3/s，最大转速2 200 r/min，最大输出功率200 kW，最小吸出水头-9 m。

1.1 效率试验的误差

每次测量的误差决定了模型试验的误差，包括试验系统误差和随机误差。

试验前对试验台相关文件进行了检查，对测量水轮机进出口压差的压差变送器、用于力矩测量的负荷变送器、用于测转速的计数器、用于测流量的称量箱、水位计、电磁流量计等进行了率定，得到流量、转速、水头、力矩测量的系统误差，从而得到试效率试验的系统误差Es，同时考虑系统的随机误差Er，得到效率试验的综合误差为。

经率定和计算，模型试验综合误差为0.24%，与初步模型试验结果一致，满足IEC规程及合同小于0.25%的要求，从而保证了试验数据的精度。

1.2 模型主要参数及试验条件

本试验的采用的模型主要参数为：

转轮名义直径 D1＝350 mm；叶片数Z＝15；活动导叶数Z0＝20；导叶相对高度b＝0.224；导叶分布圆直径Dd＝446.4 mm；转轮进口直径Di＝398.39 mm；模型与原型比例I＝1：11.514 3。

模型试验的雷诺数为6.78×106、水力比能（即单位质量水的能量）为293.9 J/kg，满足IEC规程对混流式水轮机模型试验的条件，即雷诺数大于4× 106、水力比能大于100 J/kg。

2 水轮机模型验收试验

2.1 效率及出力试验

效率试验时，抽取覆盖整个水轮机运行区间（含超发范围）的有代表性的25个工况点进行试验，其中包括额定工况点和验证出力的工况点。试验中尽可能保持水轮机水力比能为常数，从而使试验在无空化的条件下进行，以防止空化对水轮机性能的影响，具体操作中以保持尾水箱的压力恒定来保证。整个试验范围导叶开度从30%到110%范围内调节，间隔小于10%。

根据所有抽取的试验点试验结果与初步模型试验对比发现，试验结果与初步模型试验吻合、试验重复性良好，因此，验收组采信了初步模型试验报告的试验数据，即同意初步模型试验报告得出的模型最高效率和加权平均效率（见表1），由数据可见，该转轮效率优于合同保证值，能量特性满足合同要求。

表1 效率及出力试验数据

为了预测原型机性能，原型机效率通过模型每个测试点的效率加上一个定常的修正值得到。效率修正值计算按照IEC规程提供的修正公式，将模型雷诺数下的效率转换为原型雷诺数下的效率。试验同时验证了该模型换算为真机后对应的额定出力、最大出力和最低水头出力。

2.2 空化试验

空化试验选取了江坪河水电站运行范围内空化安全系数相对较低的4个工况点进行了空化性能见证试验。试验开始前用氧分离计核对气体常数，以保证水中气体含量在IEC规程规定范围内，试验中空化系数的调节是通过调节阀门的开关或冷却泵的转速来调节尾水箱的压力而实现的。

空化试验还包括临界和初生空化系数试验、进口脱流空化观测、出口空化观测。转轮进口的空化通过安装在顶盖上的CCD相机观察，出口空化通过闪频仪观察。试验结果与初步试验结果吻合，换算为原型机的数据见表2。根据试验观察绘制的空化及叶道涡初生限制线示意图见图2。

表2 空化试验数据

试验结果证明模型临界空化系数和初生空化系数均满足合同要求，初生空化裕度均大于1.15、临界空化裕度均大于2.9，并且通过观察可见，叶道涡初生线、进口脱流限制线以及出口空化限制线均在水轮机运行区间以外，表明江坪河机组在整个运行区间内空化性能良好。

2.3 飞逸转速试验

初步试验报告中飞逸转速试验是在不同空化系数和若干导叶开度下进行的，本次验收试验仅见证最大飞逸转速工况，即对应于电站装置系数、最高水头时的飞逸工况。试验中将测功电机作为电动机运行，试验台管路与测功电机一同运行，首先由模型水轮机带动测功器飞轮转动，当转速达到一定值使得输入到测功电机的扭矩与它消耗的相等时，就是模型的飞逸转速工况。

飞逸转速由模型换算到真机时为 328.9 r/min，小于合同保证值360 r/min以及招标要求的375 r/min的要求。

2.4 轴向水推力试验

水轮机轴向水推力试验是在转轮1倍设计间隙、分别在对应真机额定、最高、最低和加权平均水头下进行的。为减小顶盖与转轮间隙产生的轴向水推力，在顶盖与尾水管之间采用平衡管连通的方式卸压。

试验通过测量测功电机静压轴承的油压力计算轴向水推力，计算真机最大轴向水推力为对应加权平均水头163.95 m、最大出力255 MW时的418 t，小于合同保证值455 t，满足合同要求。

2.5 压力脉动、主轴扭矩脉动及补气试验

压力脉动和主轴扭矩试验是在电站装置空化系数时，分别对应真机额定、最高、最低和加权平均水头下进行的，共抽取了小开度下有代表性的10个工况点进行见证试验。压力脉动试验共布置了5个测点，分别是：蜗壳进口1个、尾水管上部2个、顶盖与转轮之间1个、活动导叶和转轮之间1个。压力变送器的压力脉动结果通过A/D转换后记录并显示在示波器，同时进行频谱分析，见证试验结果（见表3）与初步实验结果偏差在误差范围内。由试验结果可见，模型水轮机各测点的压力脉动幅值均小于合同保证值。为了尽可能减少尾水涡带引发的低频振动，东芝水电在转轮泄水锥后延伸了一段带孔的圆筒部件，最低处与转轮下环底部对齐（见图3），试验证实，这一改进对减少涡带发生几率有明显的效果，该部件能有效破坏和阻碍涡带的形成。

表3 压力脉动试验数据

主轴扭矩试验在合同中未作要求，本次验收试验仅作参考。利用贴在主轴上的应变片测量，再通过FM遥测信号发送装置发送到接收器，经计算、转换后记录在示波器，同时进行频谱分析，试验结果与初步试验吻合。

在压力脉动试验过程中，为了验证补气对压力脉动特性的影响，还通过改变主轴中心补气量来证实补气效果。试验中对对应真机最低水头131.26m时小开度的两个工况点进行了补气试验，采用的补气量分别为流量的0.3%、0.6%和1.0%。试验证实，补气对减小压力脉动幅值效果不明显，但对减小低频脉动有利，观察到补气前引起低频振动的涡带被空气流破坏。当补气量为0.3%～0.6%时可以使效率提高0.1%～0.2%，补气量到1%时，噪音增大，效率有下降的趋势。

2.6 Winter-Kennedy指数试验

Winter-Kennedy指数试验是用来寻求同一过流断面上两个侧压孔之间的压差值Δh与流量Q之间的关系的，通常为指数关系，即Q=k×Δhn，比例系数k和指数n可以通过在模型机上的试验确定，再换算应用到真机上。

验收试验选择了蜗壳进口附近与蜗壳进口面成49.5°的断面，通过对应真机在4个典型水头下的试验结果确定模型比例系数km及指数nm，测量结果与初步试验结果吻合，其中为 km＝0.162 5、nm=0.5000，换算为原型机时kp=km×（Dp/Dm）2=21.54，np=nm=0.5，即原型机流量采用压差法测量时，流量为Qp=21.54×Δh0.5。

3 分析与结论

（1）模型试验台综合误差小于0.25%，重复性小于0.1%，满足IEC规程及合同对验收试验的要求；模型各部件制造采用了先进的数控加工技术，加工精度在公差范围内，保证了试验的效果，为验证设计创造了条件。

（2）模型水轮机各项效率指标均优于合同保证值，出力满足合同要求，机组具有很好的能量特性；模型水轮机空化系数（初生及临界）均低于合同保证值，且空化安全裕度较大，表明为江坪河电站设计的水轮机具有优良的空蚀特性；最大可能的飞逸转速低于保证值，保证了机组飞逸状态下的结构安全；模型流道内压力脉动幅度均小于合同保证值，根据现阶段研究成果来看，在中、高出力时，原型机与模型压力脉动幅值基本一致，低负荷时由于流动情况复杂，对应关系不十分明显，根据对三峡水轮机研究结果，低负荷下原型机压力脉动幅值一般低于模型，预计原型机具有较好的压力脉动特性。从江坪河水轮机模型试验结果可以预见，在模型基础上设计的原型机具备良好的性能，可以以模型尺寸为基础进行真机的设计、制造。

（3）由于为江坪河电站设计的转轮摩擦联轴节需要大尺寸的法兰，受结构限制，转轮上未开泄压孔，因此顶盖与转轮间隙泄压采用了平衡管方式，平衡管一端开在顶盖、另一端与尾水连通，这也是目前较常见的方式，试验结果证明该方式对于减小轴向水推力有效。但这种方式的缺点是：当出现较大洪水、尾水位升高较多时，尾水压力通过平衡管作用于顶盖，会对轴向水推力带来不利影响，机组运行期间也要注意平衡管上的阀门是否打开。

（4）东芝为减小尾水涡带对机组运行的不利影响而对泄水锥所做的改进是简单、实用、有效的，对新建或已建成运行的机组都有参考价值，值得进一步研究推广。

（5）试验表明：少量补气虽然无助于减小压力脉动幅值，但对低负荷下改善流态、减小低频振动对机组的危害、提高机组效率有利，在电站运行期间应保留这一手段。

（6）江坪河电站水轮机的比转速为166.5m·kW，比速系数为2 060，根据已建成的电站对水轮机比转速、比速系数统计来看，与其它中高水头混流式水轮机相比较，江坪河电站水轮机比转速和比速系数均处于相对较低水平。实践证明，较低的比转速对增大机组稳定运行范围十分有利，本次模型试验也验证了这一观点。对于以调峰、调频为主的的江坪河水电站电站来说，这种特性尤为重要。

[1]IEC60193-1999.水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验［S］.

[2]赵越，吕延光，等.近年来水轮机模型试验技术的发展〔J〕.大电机技术，2010，（1）：41-45.

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1672-5387（2010）04-0040-04

2010-06-02

黄大俊（1972-），男，高级工程师，硕士研究生，从事水电工程建设管理工作。