混流式水轮机模型试验异常水力现象研究

2016-11-02李金伟于纪幸郑建兴张强

水电站机电技术 2016年2期

关键词：核试验模型试验水轮机

李金伟，于纪幸，郑建兴，张强

（1.北京中水科工程总公司，北京100048；

2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014）

混流式水轮机模型试验异常水力现象研究

李金伟1，于纪幸1，郑建兴2，张强2

（1.北京中水科工程总公司，北京100048；

2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014）

介绍了某大型混流式水轮机模型复核试验过程中出现的异常水力现象，对其产生的水力原因进行了研究和揭示。本文的研究过程和研究结论可为其它水轮机模型试验和实际运行中出现的异常水力现象的原因分析提供参考。

混流式水轮机；模型试验；水力现象；研究

1　概述

模型试验[1-6]是检验水轮机水力性能主要参数设计效果必不可少的环节和有效方式。国内某大型混流式水轮机模型复核试验过程中，大流量区的压力脉动出现了“峰值”（“山头”或“局部极值”）现象，本文对该现象产生的水力原因进行了研究。

水轮机基本参数如表1。

表1　水轮机基本参数

2　压力脉动模型复核试验内容

压力脉动复核试验在不补气的条件下进行，不同水头不同负荷压力脉动试验在装置空化系数下进行，空化系数参考面为导叶中心线，试验水头不低于30m。试验内容如下：

（1）模型复核试验对原型水轮机运行区域（原型机组运行水头：82.5 m、90 m、95 m、100 m、105 m、110m以及113.6m）进行测量。在每一原型运行水头下，导叶开度每间隔2°左右为一测量工况点，额定水头以上（含额定水头）从空载校核至103%额定出力，额定水头以下校核至110%预想出力。对部分负荷的压力脉动复核试验，加密了试验工况（0.1~0.2°）。

（2）ΔH为实测压力脉动按97%置信概率计算的混频双峰值，H为相应的试验水头。

压力脉动测点布置在蜗壳进口、无叶区、尾水管锥管和肘管等断面，共9个。各测点对应的位置和符号如图1所示。

图1　压力脉动测点对应的位置和符号

3　试验结果

由图2、图3可以看出：

（1）Hp=95m、100m水头下，机组额定功率上下各测点的压力脉动出现“峰值”现象。

（2）Hp=95m（749.65MW、760.92MW、771.43MW）、100 m（799.12MW、807.09MW、815.73MW）工况下，各测点的压力脉动相对频率f1/fn都在0.48~0.55之间，随负荷的增大而减小。同一负荷下，各测点压力脉动的主频相同。

图2　Hp=95m时不同负荷工况下部分测点的压力脉动相对幅值和主频

图3　Hp=100m时不同负荷工况下部分测点的压力脉动相对幅值和主频

图4　Hp=95m、760.92MW工况下9个测点的压力脉动的时域图和频谱图

图5　Hp=100m、807.09MW工况下9个测点的压力脉动的时域图和频谱图

4　试验结果分析

一般而言，混流式水轮机在大流量区转轮出流具有负环量，导致流道中出现大负荷区压力脉动，其幅值随负荷的增大而增大，这是混流式水轮机的典型特征之一，但这种变化是渐变的。如果压力脉动出现“峰值”现象，则意味着水轮机流道中出现了异常水力现象。

在封闭的流道中，使压力脉动异常增大的可能性只有一个，就是发生了共振。图4、图5中的时域图显示：Hp=95m、100m两个水头下出现“峰值”压力脉动时，各测点压力脉动的相位基本一致，也证明了这一点。

但是，这种共振的激发力是什么，共振体是模型试验台还是流道中的水体？需要进一步研究。

如果是机组内的水力激振力激发了模型试验台的共振，则会出现以下现象：①模型试验台产生剧烈的振动。②模型试验台的剧烈振动与机组内的水力激振力最终会步调一致，表现形式就是机组流道内不同部位的压力脉动的主频均为模型试验台的固有频率，是一个固定值。这与本文中的模型复核试验结果不相符，因此可以排除这种可能性。

所以，本文中异常水力现象的原因只能是机组内的水力激振力激发了水体的共振。那么，水力激振力是什么？共振的水体又是什么？

水轮机流道中可以产生初生压力脉动的部位有：固定导叶（卡门涡）、活动导叶（导叶过流频率压力脉动）、转轮进口（叶片过流频率压力脉动、进口水流冲击、脱流和次生水冲击）、尾水管（涡带压力脉动和其它旋转速度产生的多种频率的压力脉动）等。通过压力波的传递，压力脉动可以由一个部位传递到其它部位。大量的工程实践表明，尾水管中水流的圆周速度与尾水肘管相互作用可以产生低频的、具有同步特性的压力脉动。这些频率成分的压力脉动幅值通常都比较小，很难引起人们的注意，但当其引起某种水体共振时，这种压力脉动连同被它激发而共振产生的压力脉动就会变得十分强烈。本文中的异常水力现象发生在大流量区，且主频与转频的比值处于0.48~0.55之间，属于低频，符合尾水管同步压力脉动的特征。

水轮机中水体的共振一般有两种形式[7]：一种是所谓的声学谐波共振，出现在单一的水体中，其固有频率基本不变；另一种是水气联合体的弹性共振，其固有频率与联合体的总体积和空腔体积成反比。本文模型复核试验中，Hp=95m、100m时，共振工况下5结语

“峰值”压力脉动的相对频率处于0.48~0.55之间，随负荷的增大而降低。以Hp=95 m为例，负荷由749.65MW→760.92MW→771.43MW增大过程中，转轮出流形成的负环量逐渐增强，尾水管内的空腔体积逐渐增大，水气联合体的固有频率则逐渐减小，符合本文模型复核试验结果的变化趋势，因此可以推定共振水体是尾水管中的水气联合体，共振工况下HD1、HD2、HD3、HD4测点的压力脉动增幅比值最大也可间接证明这一点。

（1）本文模型复核试验过程中，大流量区出现的压力脉动“峰值”现象是水体共振的结果。

（2）水体共振的水力激振力是尾水管中具有同步特性的压力脉动。

（3）共振水体是尾水管中的水气联合体。

对于模型复核试验过程中的异常水力现象，研究清楚其中的水力原因才能为后续的水力设计优化建立基础，本文的研究过程和研究结论可为其它水轮机模型试验和实际运行中出现的异常水力现象的原因分析提供参考。

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