关于减小抽水蓄能机组尾水管振动的探讨

2017-07-31温占营梁睿光

水电站机电技术 2017年6期

关键词：稳流水管导流

温占营，梁睿光

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁丹东 118216）

关于减小抽水蓄能机组尾水管振动的探讨

温占营，梁睿光

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁丹东 118216）

抽水蓄能机组由于尾水管的压力脉动引起的振动可以考虑通过设置结构措施来控制，本文简要描述了设置稳流片、阻流栅、导流栅、同轴圆柱等四种结构措施减小振动。

抽水蓄能机组；尾水管；振动

抽水蓄能机组一般为高水头混流式结构，由于混流式水轮机转轮出口的水流，在部分负荷工况下运行时，不可避免地存在周向旋回分速度，再加上弯肘形管道的作用，涡动水流所产生的压力脉动往往是难以避免的。当尾水管内部压力低于汽化压力时，空化发生，出现空腔涡核和螺旋状涡带，产生低频压力脉动、出力摆动及机组与结构振动。参考一些水电站的处理经验，可以在尾水管结构上设置稳流片、阻流栅、导流栅、安装同轴圆柱等来减小压力脉动引起的振动。

1 设置稳流片

大量的研究已经证实，尾水管的内部不稳定流动均起源于水轮机转轮后出流的周向分速度，稳流片是减振装置之一，某些机组装置在尾水管锥管段，通过削减水流的旋回强度以消减压力脉动。

对于稳流片的减振机理，其形状、安装的数量和位置等，已做过大量的试验研究。但对稳流片降低压力脉动的作用原理尚无完全的解释。另一方面，稳流片还会导致在其表面的不均匀压力梯度、高频脉动和局部空蚀等，造成稳流片本身的破坏和尾水管里衬的破坏。

1.1 稳流片的形式

图1为某电站实际采用的稳流片的布置和细部构造，为三角翼型，即横断面为三角形，头部纵向也为三角形。布置上沿水流方向，焊接在尾水管锥管段的管壁上，周向等距布置，有2个、3个或4个的组合。

图1 稳流片布置和构造

1.2 稳流片的减振机理分析

随着CFD技术的发展，对安装稳流片之后的尾水管流场数值解析是可能的。以下将介绍安装有稳流片尾水管的数值解析成果(三维粘性流动)，优化稳流片的形状以减小作用在稳流片上的压力合力，探讨不同进口条件和不同稳流片形状的影响，为稳流片的实际应用提供有益的参考。

首先介绍一个弯肘型尾水管模型，进口直径125 mm，锥管段扩散角9°，出口与进口面积之比为4.12，是实际混流式水轮机模型的1/3。在锥管段内壁假设安装4个无厚度的稳流片(简称为“L”型)，等间距布置，安装起点在进口的0.336 Ri，如图2所示。

图2 尾水管锥管段设置“L”型稳流片示意图

利用数值分析计算流场，得到三维流线图（如图3），进口处m=1.2。扭曲的螺旋形流线与试验观察的很相像。流线在锥管段偏向一边，然后在出口区移至另一边。安装稳流片后，主流更靠近中心区。

图3 加稳流片后尾水管流线轨迹示意图

图4表示的是中间锥管横断面的二次流场分布和压力场分布。流场分布特性表明，在锥管的中心区及以下有较大的回流，在顶部和中心有流动分离。接近出口区，流动偏向一侧。由于主流接近壁面区，稳流片的消涡作用显现：受稳流片的约束作用，主流向中心区移动，涡动强度减弱。计算还显示，在稳流片后部存在一个小涡，涡动可能会造成负压和空化，这一现象已为试验所证实。压力场的分析表明，稳流片附近为压力集中区域，压力梯度较大，稳流片的迎水面为较大的正压力区，背水面存在较大的负压，因此，造成稳流片的压力合力，这对稳流片的强度和使用寿命极为不利。

图4 稳流片中间横断面流场流速和压力分布图

在稳流片的背部和尾部出现一个小涡，在稳流片的迎水面与背水面间存在巨大的压差，这也是实际电站运动中稳流片和尾水管里衬破坏的原因。对于不同的翼型，压力不平衡基本在同一量级，但合力还是有所差异。因此，在稳流片几何形状优化时应该进行稳流片本身和尾水管里衬的应力分析和强度复核。

机组检修，通流部分各洼窝中心的原始记录是在轴系中心调整后测量的，因此，需要根据调整轴系中心时的调整量，推算出修前的各道洼窝中心才能进行全面的分析。

尾水管内设置稳流片具有良好的降低涡动强度的作用，通常在稳流片负压面引入空气可以有效消除局部的高频涡动和空化，可以有效控制压力脉动和防止共振，同时维持其压力恢复能力，但也伴随产生一定的能量损失。尾水管模型的数值计算尚不充分，但对于探讨其减振机理和流场特征很有益处。进一步的模型试验和现场测试对深入研究和优化设计十分必要。

1.3 稳流片数目和布置位置影响

研究已充分证明，稳流片有明显的减振效果，但在某些工况也对效率和局部涡动空蚀有一定影响，选择合理的稳流片数目和布设位置对于同时兼顾减振效果与降低负面影响十分有意义。

1）稳流片数目

试验研究比较了4个、2个和1个稳流片下的压力脉动降低效果，结论认为：即使对于1个稳流片的情况，压力脉动降低效果也十分明显，能够达到抑制共振的目的。当然，从6个测点的综合结果评价，4个稳流片时的效果要稍优于2个或1个稳流片情况。从频率特性分析，当设置稳流片时，临界空化系数Ki（相当于共振点）降低，频率能够错开。

2）稳流片周向布置位置的影响

图5 尾水管模型和测点布置

3）稳流片轴向位置的影响

下面讨论稳流片在锥管段轴向布置位置对减振效果的影响，选择一个具有较长锥管段的尾水管模型，其他部分与图5的相同。稳流片位置有两种，第一方案为其头部距进口21 mm，第二方案为稳流片头部距进口86 mm，分别称为上游布置和下游布置。

从压力脉动振幅的变化看，稳流片设置在上游位置时，由于距进口近，进口附近的水流旋转强度较下游突出，故减振效果更为明显。

4）进口涡旋强度的影响

试验研究了尾水管进口处水流旋转强度对稳流片减振效果的影响，分别选取m=1.0、1.25和1.40三种进口条件加以比较分析。

随着涡旋强度增大，共振状态的临界空化系数Ki随之增大。当m=1.25时，稳流片可避开共振区，但当m=1.4时，由于涡流较强，稳流片的减振效果不再表现明显，如设置4个稳流片，共振有可能反而变得强烈。分析原因，一方面是由于涡旋较强，稳流片的作用受到限制。另一方面，由于稳流片产生局部空化涡核，造成空腔体积增大。此时，脉动分量中同步分量Ψsy依然突出，共振特征明显。

2 设置阻流栅

我国的一些水电站在低负荷出力时发生功率摆动和压力脉动现象，为消减振动，尝试提出了在尾水管内的原有十字架上装设阻流栅结构，削弱了尾水管内的旋回流强度，有效地破坏了引起发电机功率摆动的振源。阻流栅构造如图6所示。试验结果指明，阻流栅应尽量靠近转轮，其栅条安装在靠近管壁处效果较好。阻流栅的作用原理类似于稳流片。阻流栅栅条加长并连接可形成隔板，其阻止旋回流的效果更为明显，如甲水电站(见图7)，安装“Y”型隔板后消除了电机振荡频率与尾水管涡带频率重合而导致的共振，解决了功率摆动问题。但是，加设阻流栅或隔板会引起结构的受力条件恶化，导致隔栅结构或支承结构(包括尾水管里衬)的破坏以及空化空蚀和噪声等问题。

图6 阻流栅结构示意图(长度单位：mm)

图7 尾水管“Y”型阻流格板

3 设置导流栅

导流栅是对阻流栅的一种改进，栅条不是垂直于旋回水流方向，而是平行于旋转流线，起引导水流的作用，将尾水管直锥段内的流速分布引导为轴对称，通过减小涡带偏心距以达到消减压力脉动的目的。由于其对水流环量的阻力较小，由导流栅引起的结构振动较其他装置要小，对机组效率的影响相对也较小。乙水电站的尾水管导流栅模型试验成果如图8所示。压力脉动明显降低，速度场的测量表明，流场更趋近于轴对称分布，涡带涡心更接近于中心。效率试验表明，在大开度范围内，加导流栅后的效率较阻水栅及未采取措施前均提高1%以上。

图8 导流栅的减振效果

丙水电站也进行了导流栅消振试验，研究了导流栅数目、尺寸及位置等多种方案，结果表明，导流片位置以靠近尾水管外缘主流区且栅叶在锥段中间位置时效果较为理想。参照这一结果，丁水电站设计了导流栅并进行了现场试验，低频水压脉动及频率特性见图9，对改善功率摆动的效果示于图10中。结果说明，导流栅消振效果最佳，减轻功率摆动效果与阻流栅相近。