水泵水轮机在水轮机制动工况下压力脉动的模型试验研究

刘文杰，秦坤涛，徐用良，王 磊（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

水泵水轮机在水轮机制动工况下压力脉动的模型试验研究

刘文杰，秦坤涛，徐用良，王 磊
（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

本文对水泵水轮机模型装置在水轮机制动工况下的压力脉动进行了试验研究，得到了不同导叶开度和不同测点位置，压力脉动信号在时域和频域内随流量的变化规律。此外，对无叶区压力脉动信号进行了细致的分析，収现在导叶开度A0=20~40mm的范围内，该测点位置在小流量区域存在大小约0.5~0.7倍转频的特殊频率，这种频率能影响压力脉动的时频特性。

水泵水轮机；水轮机制动；压力脉动；模型试验

0 引言

1 模型装置及试验方法

本试验研究是针对500m水头段蓄能电站的混流可逆式水泵水轮机模型进行的。水泵水轮机的模型转轮直径D2=275mm，转轮叶片数Z=9。水轮机工况最优点为n11_opt=40.5r/min，q11_opt=0.563m3/s，水泵工况在试验转速n=1000r/min下的最优点为Q_opt=0.256m3/s，H_opt=34.99m。模型装置的压力脉动测点的布置如图1所示，1为蜗壳进口，2、3为导叶后转轮前，4为顶盖，5为固定导叶间，6、7为尾水锥管，8、9为尾水肘管。

模型试验在哈尔滨大电机研究所高水头试验台进行，模型试验导叶开口从A0=12mm~A0=36mm，导叶开度间隔为4mm。试验时定测功机转速，通过调节水泵与阀门的大小来改变工况。试验从各导叶开度下的飞逸工况点开始，逐渐减小单位流量，直至接近零流量，涵盖整个水轮机制动工况。

模型试验采用美国某公司的动态压力传感器和尼高力数据采集器，收集和记录各工况下的压力脉动信号[4-6]。该公司动态压力传感器，其频率响应范围能覆盖被测信号的全部有用频率。尼高力数据采集器的采样频率设置为每通道2kHz，其A/D转换器分辨率不小于16位，采样时间设置为10s。采集的试验结果采用97%置信度分析得到时域的混频幅值，用FFT分析得到频域的主频及其振幅。

图1　压力脉动测点分布

2 模型试验结果及分析

2.1时域混频幅值

首先，对压力脉动信号进行了时域分析，得到不同测点位置和导叶开度下，压力脉动时域混频幅值与流量的变化兲系。试验结果大致呈现出如下两种变化规律。

第一种如图2所示，导叶后转轮前两测点为此变化规律。压力脉动幅值在各导叶开度下，层次分明，基本上无重叠或交叉；随着流量的减小，压力脉动幅值整体上呈降低趋势，但在接近零流量的小流量附近，存在幅值先增加再减小的特殊区域。

第二种如图3所示，其他7个测点为此变化规律。压力脉动幅值随导叶开度的增加，层次幵不分明，但整体上呈增大的趋势；在同一导叶开度下，压力脉动幅值随流量小幅震荡减小。

此外，将水轮机制动工况与水轮机正常运行工况的压力脉动幅值进行比较，如图4所示，横坐标对应9个测点，纵坐标为压力脉动混频幅值，虚线曲线对应水轮机正常运行范围内压力脉动幅值最大的工况点，实现曲线对应水轮机制动工况下压力脉动幅值最小的工况点（即本次试验中 A0=12mm接近零流量的工况点）。

记者从广东海事局获悉，11月22日，来自东盟的文莱、柬埔寨、马来西亚、泰国、菲律宾、越南和南亚的孟加拉、巴基斯坦等多国学员齐聚佛山海事局，开展为期一天的区域非公约船舶安全管理现场交流学习活动。

图2　时域混频幅值特性——导叶后转轮前

图3　时域混频幅值特性——尾水管锥管

图4　不同测点压力脉动分布

从曲线的变化趋势中可以看出，水轮机制动工况与水轮机工况各测点压力脉动分布规律是一致的，无叶区压力脉动幅值最大，顶盖压力脉动幅值次之，其他测点压力脉动幅值偏小。水轮机制动工况的最小压力脉动值仍大于水轮机正常运行范围的最大压力脉动值。

2.2导叶后转轮前的特殊频率

由于导叶后转轮前的压力脉动混频幅值，在小流量出现先增加后减小的特殊区域，我们对导叶后转轮前的压力脉动信号进行了FFT分析，得到信号的前三个主频及其幅值等频域信息。从频率信息中収现导叶后转轮前压力脉动信号的主频除了叶片过流频率外，还存在另外一种主频，称之为特殊频率。特殊频率的分布如图5所示，从图中可以看出特殊频率的大小为0.5~0.7倍转频。

图5　特殊频率的分布

图6　特殊频率的幅值变化规律

图7 各导叶开度下特殊频率峰值的变化

图6是特殊频率的幅值变化规律。从图中可以看出，特殊频率对应的幅值在小流量0.05m3~0.2m3范围内会先增加，达到峰值后，再逐渐减小回到初始值的大小，意味着特殊频率对应的能量先逐渐增加，达到峰值后，再逐渐减弱；在整个研究范围内，最高幅值约为初始幅值的7倍。图7给出了各导叶开度下特殊频率峰值随导叶开度的变化规律，从图中可以看出，各导叶开度下的峰值随着开度的增加是先增大后减小，在导叶开度A0=28mm时达到极大值，这说明在此导叶开度下，存在能量最强的频率。

2.3导叶后转轮前时、频域幅值的比较

信号时域内的幅值为混频幅值；频域内的幅值为分频幅值。通过FFT分析，导叶后转轮前在频域内的主频为叶片过流频率和特殊频率。将各导叶开度下混频幅值与分频幅值的变化规律进行比较，可以得出如图8~图10的结果。图中实线为混频幅值随流量的变化曲线，对应于左侧的坐标；点虚线是叶片过流频率的幅值随流量的变化曲线，横虚线是特殊频率的幅值随流量的变化曲线，对应于右侧的坐标。

图8 混频幅值与分频幅值比较——A0=12mm和16mm

图8为小开度A0=12mm和16mm下，混频幅值与分频幅值的比较。从图中可以看出，混频幅值随着流量的减小是逐渐变小的，没有出现局部极大值。通过FFT分析可以収现，所有工况点的第一主频均为叶片过流频率，第二主频频均为叶片过流频率的二倍频，第三主频的分布无明显的规律，而且其幅值非常小。

图9为导叶开度A0=20mm~32mm下，混频幅值与分频幅值变化规律的比较。混频幅值在小流量出现先增加后减小的特殊区域，随着导叶开度的增加，特殊区域的流量逐渐变小，范围逐渐变宽；叶片过流频率幅值始终变幅不大，比较平缓；特殊频率幅值会先陡增再剧减，与混频幅值的特殊区域对应的流量范围是相同的，在此范围内，特殊频率幅值要高于叶片过流频率的幅值，特殊频率为信号的主频率。

图9　混频幅值与分频幅值比较(A0=20mm~A0=32mm)

进而可以说明，混频幅值的特殊区域是由特殊频率引起的，当特殊频率的强度高于叶片过流频率的强度时，混频幅值会出现特殊的变化区域。

随着导叶开度的进一步增加，导叶后转轮前的压力脉动信号在小流量的特殊区域明显减弱，甚至消失。从图10可以看出，在导叶开度为A0=40mm时，混频幅值的特殊区域已基本消失。此时，叶片过流频率的幅值的变化仍比较平稳，特殊频率的幅值虽然仍会先增再减，但其强度明显低于叶片过流频率。这也进一步说明，混频幅值的特殊区域是由特殊频率引起的。

图10　混频幅值与分频幅值比较——A0=40mm

3 结论

本文对水泵水轮机在水轮机制动工况下压力脉动进行了模型试验研究，特别是对导叶后转轮前测点的压力脉动信号进行了详细的分析，得出了如下规律：

（1）对于导叶后转轮前测点而言，除小导叶开度A0=12mm和A0=16mm外，其它导叶开度在小流量出现幅值先增加后减小的特殊区域；而其它测点的压力脉动幅值随着流量的减小，整体上均会逐渐减小。

（2）跟水轮机工况相似，各测点压力脉动变化规律是一致的，即无叶区测点的压力脉动幅值是最大的，顶盖次之。水轮机制动工况下的压力脉动值远大于正常水轮机工况的。

（3）通过对导叶后转轮前压力脉动信号的频率分析可知，所有工况点的前三主频由如下三类频率组成：叶片过流频率，即 f/fn=9；叶片过流频率的二倍频即f/fn=18；特殊频率或第三主频，特殊主频大小约为f/fn=0.5~0.7。

（4）从开度A0=20mm开始，导叶后转轮前压力脉动的混频幅值在小流量出现先增加后减小的特殊区域，该区域的极大值所对应的流量与特殊频率幅值的峰值所对应的流量是相同的；且随着导叶开度进一步增大，特殊频率能量随之减弱，混频幅值的特殊区域也逐渐消失，可以说明导叶后转轮前混频幅值的特殊区域是由特殊频率引起的。

（5）在较小的导叶开度（A0=16mm甚至更小）下，无特殊频率存在，信号的主频为叶片过流频率；而在较大的导叶开度（大于A0=40mm）下，虽存在特殊频率，但其强度已明显弱；这也可以说明导叶后转轮前混频幅值的特殊区域是由特殊频率引起的。

[1] 梅祖彦. 抽水蓄能发电技术[M]. 北京：水利水电出版社, 1993.

[2] 瞿伦富. 混流可逆式水泵-水轮机全工况压力脉动的研究[J]. 动力工程, 1996,16(6): 58-64.

[3] 端润生，混流可逆式水泵水轮机的全特性[J]. 水利水电技术, 1982, (02): 34-40.

[4] 桂中华, 等. 混流式水轮机压力脉动与振动稳定性研究进展[J]. 大电机技术, 2014,(06): 61-65.

[5] 潘罗平, 等. 水轮机压力脉动信号采集方法的研究[J]. 大电机技术, 2004,(02): 63-66.

[6] 赵越, 等. 近年来水轮机模型试验技术的发展[J].大电机技术, 2010,(01): 41-45.

刘文杰（1985-），2009年毕业于哈尔滨工程大学，现从事水轮机测试工作，工程师。

审稿人：越越

Pressure Pulsation Model Test Investigation of Pump-Turbine on the Turbine-Brake Condition

LIU Wenjie, QIN Kuntao, XU Yongliang, Wang Lei
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin, 150040)

In the paper, it is researched on the pressure pulsation characteristic during turbine-brake operation of pump-turbine model installation by the model test method. Then the tendency of pressure pulsation in time domain and frequency domain along with discharge is obtained at different guide vane openings and different measuring points. Furthermore, the pressure pulsation signals of vaneless location were analyzed detailed. At the small discharge area of the location, we discover the special frequency which is about 0.5~0.7 times rotational frequency from A0=20mm to 40mm and can influence the time-domain and frequency-domain characteristic of pressure pulsation.

pump-turbine; turbine-brake; pressure fluctuation; model test

TK734

A

1000-3983(2016)03-0041-05

2015-04-23