水轮机工况下水泵水轮机的无叶区压力脉动特性分析

张 梁，李金伟

（1.雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610056；2.北京中水科工程总公司，北京 100048）

水轮机工况下水泵水轮机的无叶区压力脉动特性分析

张 梁1，李金伟2

（1.雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610056；2.北京中水科工程总公司，北京 100048）

水泵水轮机无叶区是机组内部水力因素引起的压力脉动最大的部位，也是机组和厂房振动的主要激振源之一。本文以某抽水蓄能电站机组稳定性试验结果为基础，分析了机组内部压力脉动混频幅值随负荷的变化趋势，重点关注了无叶区压力脉动分频幅值随负荷的变化规律，为研究机组和厂房振动诱因提供一种思路。

水泵水轮机；压力脉动；无叶区

0 前言

抽水蓄能技术是电力系统中作为调节手段的一种先进技术，是一种行之有效的蓄能装置，在我国被大力发展[1]。近年来，数个已投产运行的抽水蓄能电站机组和厂房出现了比较强烈的振动。经过现场试验分析发现，无叶区（活动导叶与转轮之间）基本是机组内部压力脉动最大的部位，这是活动导叶与转轮之间动静干涉的结果，是水泵水轮机的典型特征；试验结果研究表明，无叶区压力脉动是机组和厂房振动的主要激振源之一，尤其要重视无叶区压力脉动的频率组成及其对应的分频值[2]。当某个频率值与厂房局部构件的固有频率接近时，有可能诱发局部构件的共振，进而向整个厂房段进行传递，严重影响到机组和厂房的安全和稳定运行[3]。

下面以某抽水蓄能电站机组稳定性试验结果为例进行阐述。该抽水蓄能电站是一座日调节纯抽水蓄能电站，共安装4台立轴单极混流可逆式水泵水轮机组，机组单机容量250MW，总装机容量为1000MW。水泵水轮机的主要参数如下：转轮名义直径4.641m，固定导叶和活动导叶均为20个，转轮叶片9个，额定转速333.3r/min，额定水头305m，最大毛水头346m，最小毛水头291m。

本次稳定性试验布置了压力脉动测点4个，具体布置如图1所示。蜗壳进口1个，位置在HP1；无叶区2个，其中无叶区+X的测点布置在HC6、无叶区+Y的测点布置在HC3；顶盖下1个，位置布置在HC4。

压力脉动测量采用中国航天空气动力技术研究院生产的AK-4型压力变送器，主要指标见表1。

表1 AK-4型压力变送器主要性能指标

图1 压力脉动测点布置示意图

1 机组稳定性试验结果分析

机组主要开展了变负荷试验，机组负荷取：130MW、150MW、175MW、200MW、225MW、250MW。各负荷工况对应的上库水位、下库水位以及静水头如下：

表2 试验工况表

试验采样频率为2kHz，每个负荷工况下机组稳定后数据采集2min。

表3显示了四个测点的压力脉动相对幅值（Δp/ ρgH，Δp为压力脉动混频幅值，取97%置信度；H为平均静水头）。图2显示了四个测点的压力脉动相对幅值随负荷的变化曲线。可以看出：随着负荷的增大，4个测点的压力脉动先减小后增大，负荷为200.7MW时达到最小，表明该负荷工况下机组内部的流态相对最好。负荷进一步增大，压力脉动有一定程度的上扬，顶盖下测点增大幅度相对明显。

表3 压力脉动相对幅值 %

图2 压力脉动随负荷的变化曲线

图3～图5分别显示了130.5MW、176.1MW、225.5MW负荷工况下4个测点的压力脉动频谱，可以看出：4个测点的压力脉动优势频率均为叶片过流频率50Hz（叶片数乘以转频即9倍转频）及其2倍谐频100Hz，表明了活动导叶与转轮的动静干涉作用向上游进行了传播。这种动静干涉是转轮叶片引起的旋转流场扰动与活动导叶尾流引起的流场扰动之间调制的结果，它造成的异常压力脉动在整个过流部件中传播，可能引起水力激振力与转轮、导水机构或厂房局部构件的共振，从而产生破坏[4]。

图3 压力脉动频谱图（130.5MW）

图4 压力脉动频谱图（176.1MW）

图5 压力脉动频谱图（225.5MW）

以往针对水泵水轮机无叶区压力脉动的分析主要集中在混频幅值和频率成份方面，事实上根据数个抽水蓄能电站机组稳定性试验和模拟计算后发现，厂房结构对于不同频率的压力脉动的振动响应比较敏感[5]，因此进一步研究各分频幅值随负荷的变化趋势更有意义。下面以无叶区+X、+Y两个压力脉动测点为研究对象进行分析。

由图6～图7可以看出：对于无叶区的2个压力脉动测点，叶片过流频率50Hz对应幅值随着负荷的增大而减小，2倍叶片过流频率100Hz对应幅值随着负荷的增大先减小后增大，在200.7MW负荷工况时达到最小，与混频幅值随负荷的变化趋势一致。随着负荷的增大即活动导叶开度不断增大，活动导叶与转轮的距离（以Dg-r表示）越来越近，当Dg-r达到某一值DT时，机组内部的流场最佳，动静干涉的效果最弱，反之，当Dg-r偏离DT越远，动静干涉的效果越明显。

图6 +X测点分频幅值随负荷变化曲线

图7 +Y测点分频幅值随负荷变化曲线

通过现场测试发现，该电站厂房振动的实际情况与100Hz分频幅值的变化趋势完全一致，满负荷250MW发电时厂房振动和厂房内噪声最大，150MW时其次，200MW时相对最好（电站最常运行的三个负荷工况）。该电站的厂房结构为立式结构，经数值模拟计算，其水轮机层立柱的其前10阶固有频率分别为：85.70、98.52、101.30、104.13、106.03、108.79、114.59、115.09、116.18、120.47（单位Hz）。局部构件的主阶数固有频率中有一阶的频率与无叶区压力脉动优势频率之一的100Hz非常接近，可能出现了局部共振的现象，严重影响到机组和厂房的安全及稳定运行。

2 结论

随着抽水蓄能技术的不断发展，高水头大容量化的发展趋势使水力激振频率随转速的升高而上升，而水头的提高将会导致转轮比转速降低，转轮形状设计趋于扁平化，与此相对应的固有频率也随之降低，同时，对于固定部件而言，随着设计刚度的增加，结构自身的固有频率同样会得到大幅提升，两种因素的叠加增加了过流部件发生共振的机率。因此在研究抽水蓄能机组内部的压力脉动时，不仅要分析压力脉动混频幅值的变化趋势，更要关注压力脉动各优势频率对应幅值的变化情况，因为很有可能某个优势频率成份就是造成机组和厂房振动的关键因素。

[1]梅祖彦.抽水蓄能发电技术[M].机械工业出版社, 2000

[2]高峰.高水头混流式水泵水轮机无叶区压力特征分析[D].哈尔滨工业大学,2014.

[3]高忠信,唐澍,梁贺志.水轮机固定导叶和活动导叶后的卡门涡频率研究[J].水动力学研究与进展,2005(6):29-35.

[4]贾伟,刘晶石,庞立军,等.抽水蓄能电站水泵水轮机的动静干涉与振动分析[J].振动工程学报,2014,27(4):555-571.

[5]张军,伍鹤皋,刘建洪,等.洪屏抽蓄电站地下厂房对不同频域压力脉动的振动响应[J].中国农村水利水电,2016(6):155-163.

张梁（1976-），2007年毕业于清华大学热能系，获得博士学位，主要研究方向：流体机械设计研究、水电站运行管理等，高级工程师。

审稿人：魏显著

Characteristic Analysis of Pressure Fluctuation in the Non-blade Area of a Pump-Turbine under Turbine Condition

ZHANG Liang1,LI Jinwei2
(1.Yalong River Hydropower Development Company Ltd.,Chengdu 610056,China; 2.Beijing IWHR Corporation,Beijing 100048,China)

Pressure fluctuation in the non-blade Area of a Pump-Turbine is the maxim pressure fluctuation caused by inner hydraulic facts,and is one of the sources exciting to vibration of unit and powerhouse.In this paper,based on the stability test results of a pumped-storage power station,the change trend of pressure fluctuation mixing amplitude according to unit output is discussed,focused on change rules of frequency division amplitude,one thought to study vibration of unit and powerhouse is presented.

pump-turbine;pressure fluctuation;non-blade area

TM312

A

1000-3983(2017)01-0060-04

2016-09-20