灯泡式水轮机非协联工况下空化性能的试验研究

卢　池，陈梁年，姚　丹

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

灯泡式水轮机非协联工况下空化性能的试验研究

卢池，陈梁年，姚丹

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

摘要：以某比转速灯泡式水轮机为例，利用模型试验的方法对其协联工况和非协联工况的空化性能进行了研究，通过试验结果的对比和分析，得出如下规律：在整个运行范围内水头不变的情况下，灯泡式水轮机在某一固定转轮叶片角度运行时，无论模型水轮机是处于协联工况还是非协联工况，其临界空化系数（�0）随着流量因数（ED）的增大而增大。本研究结果对原型灯泡式水轮机的运行，特别是非协联工况下的运行，具有重要的指导意义。

关键词：空化系数；灯泡式水轮机；模型试验；非协联工况；空化性能

1　前言

贯流式水轮机自20世纪30年代问世以来，因其具有效率高、结构简单、施工方便、淹没移民少等优良的技术经济特点而得到广泛应用和迅速发展。灯泡贯流式水轮机（简称：灯泡式水轮机）作为应用最为广泛的一种贯流式水轮机，人们对其进行了比较深入的研究，并取得显著成果。

水轮机运行过程中，当转轮叶片最低压力点的压力等于或低于当时温度下水的汽化压力时，便发生空化。为了对水力机械运行过程中的空化情况进行描述，引入了空化系数这个无量纲术语，它被表示为净正吸入比能NPSE与比能E的比值。无论是在水轮机模型试验，还是在电站实际运行中，空化系数都扮演着重要角色，对水轮机各方面性能有着重要影响。

对于灯泡式水轮机，通常仅在协联工况下对其空化性能进行测试，而对非协联工况下空化性能的研究比较少。本文将以某比转速灯泡式水轮机为例，通过模型试验的方法，对其非协联工况下的空化性能进行研究。

2　水轮机的空化性能

对水轮机空化性能的研究，是一个循序渐进的过程，随着对该问题研究的深入，先后提出了临界空化系数和初生空化系数的概念。

关于临界空化系数，国家标准GB/T2900.45-2006《电工术语 水电站水力机械设备》中的定义为：“在模型空化试验中用能量法确定的临界状态的空化系数”；国家标准GB/T 15613.1-2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》中的定义为“与所规定的空化开始状态有关的空化系数，例如规定能量下降值”。在模型试验时，因选取的能量（通常为效率）下降值不同，就有了效率下降1%时的1和效率刚开始下降的0等等。由此可见，临界空化系数直接反映的是水轮机能量方面的变化，和空化气泡的多少等没有直接关系。

关于初生空化系数，国家标准 GB/T 2900.45-2006《电工术语 水电站水力机械设备》中的定义为：“转轮叶片开始出现空泡时的空化系数”；国家标准GB/T 15613.1-2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》中的定义为“转轮/叶片可见空化现象开始时的空化系数，通常由观察得到，三个叶片出现气泡”。可见，初生空化系数直接反映的是水轮机在低压条件下开始出现空化现象时的空化系数，并不直接反映其效率等能量指标的变化情况。

根据临界空化系数和初生空化系数的定义，可以清楚的认识到这两个空化系数的判定依据不同，前者是根据“能量”指标，后者是根据“气泡”是否发生。虽然两者的判定依据不同，反映水轮机空化性能的侧重点不同，但是二者之间仍然是有关联的，随着转轮内部空化气泡的形成、发展，对水轮机的效率、功率、流量等造成了一定的影响，不过这种关联是一种不确定的联系，因转轮水力设计（包括翼型设计）、水轮机运行工况而异。

关于电站空化系数，国家标准GB/T2900.45-2006《电工术语 水电站水力机械设备》中的定义为：“在电站运行条件下的空化系数”；国家标准GB/T 15613.1-2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》中的定义为“原型在运行条件下的空化系数”。可见，电站空化系数反映的是原型水轮机运行过程中所处的某种状态，其值随着运行条件的变化而变化。

在水轮机运行时，当电站空化系数小于初生空化系数时，水轮机将发生空化现象；当电站空化系数小于临界空化系数时，随着空化的发生、发展，水轮机将出现效率下降，甚至机组振动等不稳定现象。因此，在水轮机整个运行范围内，电站空化系数在任何运行条件下均需大于其所对应的临界空化系数和初生空化系数，并具有一定的安全余量。

灯泡式水轮机的空化系数不仅影响其水力性能，而且对其力特性也有着很大的影响，关于这些影响已有不少人对其进行研究，并取得了显著成果，本文将不再赘述。

3　试验方法

对于灯泡式水轮机的空化试验，需在水轮机整个运行范围内，根据可能出现的水头、尾水位及负荷的变化情况，测出给定的每个运行条件下相对应的临界空化系数和初生空化系数。同时，计算出相应条件下电站空化系数与临界空化系数和初生空化系数的比值，以验证其空化性能是否满足要求。

在进行空化试验时，保持模型试验水头和转速不变，采取逐步降低尾水压力的方法来逐渐降低空化系数，在此过程中，对不同空化系数下的模型效率（hM）、流量因数（ED）、功率因数（ED）等参数进行数据采集。同时，利用闪频装置对模型转轮叶片上的空化现象进行观察，并通过拍照和绘制草图的方式将其记录下来。

本研究的相关试验均在东芝水电水力机械模型试验台上完成，该试验台于2011年10月份通过了由中国电机工程学会和中国水力发电工程学会组织的技术鉴定，鉴定委员会一致认为该项目成果达到国际先进水平，可以作为开发、验证混流式、轴流式、贯流式水轮机模型性能的通用试验装置。

4　试验结果及分析

以某比转速灯泡式模型水轮机为例，选取5个典型转速因数，在每个转速因数下选择1个协联工况点和2个非协联工况点，共计15个工况点进行相关的试验研究。

4.1不同工况下空化试验结果

选取的15个工况点，如表1所示。在各工况下进行空化试验，通过对这些工况点试验结果的整理，选取效率刚开始下降时的临界空化状态作为重点研究对象，并对之进行分析。各工况临界空化状态下的参数值，见表1。

表1　空化试验工况点及临界空化状态下的参数值

4.2不同工况下试验结果的对比及分析

在相同的转速因数和转轮叶片角度下，对其协联工况和非协联工况的临界空化状态进行对比，结果如图1～图5所示。

从图1～图5中不同工况临界空化系数的对比（实线）可以看出，在转速因数（ED）和转轮叶片角度（）一定时，无论模型水轮机是处于协联工况还是非协联工况，其临界空化系数（0）都是随着流量因数（ED）的增大而增大。模型水轮机运行过程中，在其转速因数和转轮叶片角度不变的情况下，这一规律均适用。另外，从总体上来说模型水轮机所处的非协联工况偏离协联工况点越远，其临界空化系数和协联工况时的值相比，偏差也就越大。

由于模型水轮机的转速因数和原型水轮机的水头相对应，也就是说在整个运行范围内的任一水头下，灯泡式水轮机在某一固定转轮叶片角度运行时，其小流量非协联工况下的临界空化系数最小，协联工况下的临界空化系数次之，大流量非协联工况下的临界空化系最大，即小流量非协联工况下不易发生临界空化现象。

从图1～图5中不同工况临界空化状态下效率的对比（虚线）可以看出，在其协联工况时，模型水轮机效率（hM）最高，无论是在小流量非协联工况下，还是大流量非协联工况下，其效率均出现严重下降的现象。并且，从总体上来说偏离协联工况点越远，其效率的下降值越大，这和水轮机实际运行情况也是吻合的。

图1　工况1、工况2、工况3临界空化状态下性能对比

图2　工况4、工况5、工况6临界空化状态下性能对比

图3　工况7、工况8、工况9临界空化状态下性能对比

图4　工况10、工况11、工况12临界空化状态下性能对比

图5　工况13、工况14、工况15临界空化状态下性能对比

5　结束语

在电站实际运行中，转轮叶片可调式水轮机组通常均要求其在协联工况下运行，但是，由于某些特殊原因或条件限制，如果需要机组在非协联工况下运行，对于灯泡式水轮机可以采用下述方法：在转轮叶片角度不变的情况下，适当减小导叶开度（或者在调整转轮叶片角度和导叶开度的过程中，始终使导叶开度小于该水头下转轮叶片角度所对应的协联状态时的导叶开度），即机组一直处于小流量非协联工况下运行。此时，临界空化系数相对较小，水轮机在此状态下运行，不易发生临界空化现象，可以减少由于空化的发生、发展而引起的机组振动等不稳定现象，从而确保水轮机的安全、稳定运行。

参考文献：

[1]卢池，陈梁年，姚丹.空化系数对灯泡式水轮机力特性影响的试验研究[C]//中国动力工程学会水轮机专业委员会.第十九次中国水电设备学术讨论会论文集.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2013：394-398.

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[5]GB/T 2900.45-2006电工术语 水电站水力机械设备[S].北京：中国标准出版社，2006.

[6]GB/T 15613.1-2008水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验[S].北京：中国标准出版社，2008.

中图分类号：TK730.7

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）06-0004-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.002

收稿日期：2015-01-07

作者简介：卢池（1982-），男，高级工程师，从事水轮机模型试验和水力性能开发方面的研究工作。