巴基斯坦卡洛特水电站水轮机模型试验研究

代开锋 金德山 何志锋 彭志远 桂绍波

摘要：为保证巴基斯坦卡洛特水电站水轮发电机组长期安全稳定运行，提出了卡洛特水电站水轮机模型试验水力设计要求，并进行了水轮机模型试验。试验内容主要包括效率试验、出力试验、空化试验、压力脉动试验等。试验研究结果表明：水轮机模型各项性能指标均满足水力设计要求。

关键词：水轮机模型试验;空化空蚀;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV734.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.016

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0070 - 06

0 引 言

水轮机模型试验是根据相似理论，用模型水轮机在专门的试验台上进行，用以确定原型水轮机各种特性的试验。水轮机制造厂通过模型试验来检验原型水轮机水力设计计算的结果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户提供水轮机的保证参数[1-2]。本文以巴基斯坦卡洛特水电站为研究对象，开展了水轮机模型试验，并进行了同台对比试验，为后期原型水轮机的设计、制造以及性能保证提供基础。

1 工程概况

巴基斯坦卡洛特水电站是吉拉姆（Jhelum）河规划的5个梯级电站的第4级，为Ⅱ等大（2）型工程，主要由大坝、泄水建筑物、电站引水、尾水系统及电站厂房等组成。坝址位于巴基斯坦旁遮普省境内卡洛特桥上游1.75 km，下距曼格拉大坝74.00 km，西距伊斯兰堡直线距离约55 km。坝址处控制流域面积26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年径流量258.3亿m3，工程为单一发电任务的水电枢纽。水库正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，为日调节水库。水电站装机容量72万kW（720 MW），多年平均发电量32.06亿kW·h，保证出力11.61万kW（116.1 MW），年利用小时数4 452 h。电站特征水头范围为50.00～79.34 m，额定水头为65.00 m，加权平均水头68.86 m。

卡洛特水电站最为显著的特点是河流泥沙含量较高，因此水轮机模型参数的确定需要兼顾泥沙磨损以及机组的能量和稳定性指标。

2 水电站特征参数

2.1 水轮机基本参数

巴基斯坦卡洛特水电站水轮发电机组额定功率为18万kW（180 MW），不设置最大功率。水电站及水轮机基本参数如下：

装机容量                 72万kW（720 MW）

装机台数                 4

额定功率                 18万kW（180 MW）

额定水头                 65.00 m

额定转速                 100 r/min

安装高程（以导叶中心计）   382.50 m

2.2 泥沙特性

2.2.1 输沙量

卡洛特水电站坝址以上流域年均悬移质输沙量为3 315万t，多年平均含沙量为1.28 kg/m3。水电站坝址多年平均月输沙量和年输沙量见表1。

2.2.2 悬移质泥沙级配

卡洛特水电站工程坝址河段悬移质泥沙颗粒级配成果见表2。

2.2.3 悬移质泥沙矿物组成

卡洛特水电站工程坝址河段悬移质矿物成分见表3。

3 水轮机水力开发条件

根据卡洛特水电站的动能参数与泥沙含量情况，为保障机组能够长期安全、高效、稳定运行，本文提出了卡洛特水电站水轮机效率、空化、稳定性指标参数的水力开发预期目标。

3.1 水轮机效率

应在水电站空化系数条件下作出水轮机各效率保证，同时要求水轮机在规定的水头范围和导叶开度较宽广的范围内具有较高的效率，且效率曲线变化平缓，合理选择最优效率点，兼顾水轮机的稳定性。 水轮机模型最高效率应不低于94.0%，模型额定点效率应不低于91.4%。

3.2 水轮机稳定运行范围

水轮机应至少在长期运行水头和负荷范围内可以连续安全稳定运行，且机组振动和功率摆动均在可接受的范围内，功率摆动不大于5‰额定功率。机组出力和水头范围如下。

（1）水轮机在50.00～65.00 m水头运行时，水轮机出力为40%～100%相应水头下的预想出力。

（2） 水轮机在65.00～79.34 m水头运行时，水轮机出力为40%～100%额定出力。

3.3 水力稳定性指标

3.3.1 水轮机稳定性指标

（1）稳定性指标为水轮机在水电站空化系數及不补气条件下的参数值。

（2）模型压力脉动的双振幅值ΔH为相应水头下实测压力脉动按97%置信度计算的混频峰峰值。

（3）模型试验时，压力脉动空化参考平面为导叶中心平面（382.5 m）。

3.3.2 尾水管压力脉动

在水电站空化系数和不补气的条件下，原型和模型水轮机在各种运行工况下，距转轮出口处0.3D2（D2为转轮出口直径）上、下游侧的尾水管测压孔测得的压力脉动混频双振幅值不得超过表4中的限制值。

3.3.3 导叶后、转轮前区域压力脉动

在不补气的条件下，原型水轮机和模型水轮机在各种运行工况下，水轮机在活动导叶后、转轮前测得的压力脉动混频双振幅值ΔH/H分别不得超过表5中的限制值。

3.4 空化与抗磨蚀性能

3.4.1 水轮机空化性能

在规定的水电站整个水头和稳定运行负荷范围内，水轮机均要在无空化状态下运行，且水电站空化系数与水轮机初生空化系数的比值σp/σi应不小于1.1，水电站空化系数与水轮机临界空化系数的比值σp/σc应不小于1.6。

3.4.2 抗磨蚀性能

水轮机各过流部件应具有良好的抗空蚀磨损性能。在水轮机设计时，应结合水电站的泥沙资料，充分考虑过机泥沙存在一定的磨蚀危害，通过对水轮机过流部件流速分析，重点对水轮机导水机构、转轮及止漏环等过流部件进行优化，使其具有良好的水力型线和抗空蚀磨损能力。合理选择抗磨板材料，导叶立面和端面密封、转轮止漏环等的结构型式和抗磨蚀措施。

4 水轮机模型试验

4.1 模型试验条件

水轮机模型试验均在清水条件下完成，且试验水头为 30 m，模型试验水温在 12℃～30℃之间。

4.2 模型水轮机

4.2.1 模型设计准则

为保证水轮机模型与原型水轮机完全相似，对水轮机模型的设计提出了如下基本原则。

（1）模型水轮机的水力设计包括全部通流部件（含蜗壳进口延伸段），模型水轮机转轮的直径D2为350 mm。

（2）模型设有通过光纤窥镜直接觀察转轮叶片进口边空化、气泡、脱流和叶道涡情况的装置，装置安装尺寸应同时满足复核试验台光纤窥镜的安装要求。尾水管直锥段、尾水管肘管的某些部分为透明材料，以便能在闪频灯光下肉眼观察，并便于摄像机和照相机拍摄这一区域的流动特性，包括空化的发展、尾水管的涡带和卡门涡等现象。

（3）模型水轮机应设有补气试验所需的补气装置。

（4）压力脉动测点包括：①4个测量尾水管压力脉动的测点，分别设置在尾水管锥管，距转轮出口0.3D2处上下游侧各一个;距转轮出口1.0D2处上下游侧各一点。②2个测量尾水肘管压力脉动的测点，分别设置在肘管上下游凹凸侧45°各一个。③4个测量转轮前、导叶后区域压力脉动的测点，+X，

-X，+Y，-Y方向各1个测点，布置在导叶额定开度时，导叶出水边内切圆直径与转轮上冠外径之间的1/2处（以转轮上冠外圆为起始点）。④1个测量蜗壳进口压力脉动测点，布置在蜗壳进口段距离X-X断面上游侧1.0D2处，同时须避开舌板连接断面。

4.2.2 水轮机模型

水轮机模型主要包括蜗壳、座环、顶盖、导叶、转轮、底环和尾水管等部件，材料为金属材料，其中尾水锥管采用了透明有机玻璃制造，可以对转轮出口区及尾水锥管区的流态进行直接观察。顶盖设有平衡管，由4根管引出合并成一根后接入尾水管;蜗壳及尾水管上设有观察孔，模型水轮机的尺寸偏差不大于IEC（国际电工委员会） 有关规定的允许偏差的较小值。

水轮机模型主要参数如下：转轮出口直径D2为354.35 mm，转轮喉部直径Dth为350 mm，叶片数为15，活动导叶数为24，固定导叶数为23。

4.3 水轮机能量特性试验

4.3.1 最优效率试验

试验时通过调整活动导叶开度和水轮机模型试验转速进行水轮机最优效率点的复核试验，最优效率点复核试验在能量工况下选取了22.7°，23.8°，24°，25.1°等4个导叶开度进行。根据4个导叶开度下效率试验的包络线确定最优工况点的位置，试验结果表明：模型最优工况点单位转速为n11为67.13 r/min，单位流量Q11为0.797 8 m3/s，模型最优点效率为95.05%，高于水力开发条件提出的94%，模型效率满足预期要求。按照IEC60193规程给出的两步效率换算方法，原型水轮机最优效率点效率为96.44%。

4.3.2 加权平均效率试验

水轮机加权因子的效率试验在水电站装置空化系数下进行，在每一个代表电站运行特征水头下通过调整活动导叶开度测量各水轮机出力下的效率。本次试验在79.34，76.26，68.86，65.00，61.00 m和50.00 m等特征水头和100%Pr，80%Pr，60%Pr，40%Pr工况下，通过测量各加权因子下的水轮机效率，计算得到模型水轮机加权平均效率为93.15%，换算到原型水轮机加权平均效率为94.54%。

4.3.3 出力试验

出力试验中分别测量了额定水头及以下各水头在100%和105%导叶开度时的出力和流量以及额定水头以上各水头额定出力和加大出力的导叶开度和流量值。试验结果表明，水轮机模型在各特征水头下均可以发满出力，且均预留有3%的出力裕度。

4.4 水轮机空化特性试验

本次模型试验主要进行初生空化系数观测试验及临界空化系数测量试验，试验水头H不小于30 m。电站装置空化系数参考面为导叶中心线，水中空气含量满足IEC 要求。

（1）初生空化系数的判定准则按3个转轮叶片表面开始出现可见气泡时来确定。

（2）叶片进水边正压面和负压面空化初生线的判定准则，需通过内窥镜在转轮进口处观察转轮叶片上出现目测可见气泡来确定。

4.4.1 观测试验

（1）叶片进水边正/负压面空化初生线观察。叶片进水边正压面和负压面空化初生线观察试验结果见图1。由图1可以看出，空化初生线远离电站长期运行区域。

（2）叶道涡和卡门涡观察。试验水头H不小于30 m，试验空化系数为电站装置空化系数;电站装置空化系数参考面为导叶中心线。主要试验内容如下：①通过目测观察转轮叶片出口侧的叶道涡初生和发展（3个流道间同时出现时为叶道涡初生，全部叶片流道间均出现叶道涡时为叶道涡发展），若有条件可在叶片进口观测并且校核，并根据观测结果在水头和功率关系图中绘制出口侧叶道涡初生和发展线，如图1所示。②通过目测观察转轮叶片出口边可见卡门涡现象，并根据观测结果在水头和出力关系图中绘制可见卡门涡发生线。要同时对上述现象进行拍照或录像。

在进水边叶道涡初生空化线和出水边叶道涡发展线上各选择了最大水头、最小水头和额定水头3个工况点进行了叶道涡观测，试验结果如图1所示。由图1可见，结果满足预期要求的“在长期连续安全稳定运行范围内不允许存在初生叶道涡”的规定。

4.4.2 空化试验

空化试验是通过改变试验台尾水绝对压力来逐渐降低空化系数，并绘制空化系数与效率、流量的关系曲线，确定初生空化系数σi和临界空化系数σc，并判定电站空化系数σp/σi 以及σp/σc是否满足水力开发条件规定的保证值。空化系数均以導叶中心线为基准进行计算，初生空化系数σi定义为随着吸出水头的减少，即随着尾水管内真空度的增加，在3个转轮叶片表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数;临界空化系数定义为与无空化工况效率相比，效率降低1%时的空化系数。

试验时选择了50.00，65.00，68.86，76.26 m和79.34 m水头共5个工况点进行了空化试验。不同水头工况空化系数测量结果如表6所示，均满足水力开发条件要求的σp/σi≥1.1和σp/σc≥1.6的要求。

4.5 压力脉动试验

在装置空化系数下进行压力脉动复核试验，空化系数参考面为导叶中心线。

4.5.1 测点布置

本次试验共设置9个测点，分别是无叶区2 个（+Y，-Y 方向各1 个测点，位于额定导叶开度时，导叶出水边内切圆直径与转轮上冠外径之间的1/2 处），蜗壳进口X-X 轴线1.0 D2处设1 个，尾水管锥管0.3D2与1.0D2 处各设2 个，肘管处45°方向设2 个。试验前检查压力传感器的安装，应在试验前对所有试验用压力传感器进行率定。压力脉动试验均在不补气的条件下进行。

4.5.2 试验内容

本次复核试验对水轮机运行区域（原型运行水头为50.00，61.00，65.00， 68.86，76.26 m 和79.34 m）进行测量。在每一个原型运行水头下，导叶开度每间隔2°左右设置1个工况测量点，额定水头以下（含额定水头）校核从空载至最大预想出力，额定水头以上从空载校核至103%额定出力，对部分负荷的压力脉动复核试验要求通过调整导叶开度（0.1°～0.2°）加密测点来实现。

4.5.3 试验结果

表7和表8分别给出了尾水管、导叶后、转轮前无叶区域压力脉动混频双振幅试验值。对照表4～5和表7～8可以看出，总体来说，在给定的运行范围 内模型水轮机具有平滑而稳定的运行特性，压力脉动幅值可以满足水力开发条件预期要求。

5 结 论

针对巴基斯坦卡洛特水电站的运行方式、动能参数及泥沙特性，结合近年来国内外已投产或在建的同水头段、多泥沙含量水电站水轮机参数，分析了该电站的水轮机模型水力开发条件，研究结论如下。

（1）本次模型验收完成了水力开发预期的所有试验，试验结果表明，模型水轮机及换算得到的原型水轮机效率、出力、空化、压力脉动等性能指标均满足水力开发条件预期目标要求。

（2）卡洛特水电站水轮机主要性能良好，具有稳定运行范围广、空化性能好、水轮机效率较高等特点。

参考文献：

[1] 胡宝玉，张利新，詹奇峰.  西霞院水电站水轮机模型试验[J]. 人民黄河 2006，28（9）：30-31，34.

[2] 吕田，贺涌，徐洪泉， 等.  西龙池电站水泵水轮机模型验收试验及性能分析[C]//第十六次中国水电设备学术讨论会. 第十六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，2007.

（编辑：江 文）

Model test of hydraulic turbine of Karot Hydropower Station in Pakistan

DAI Kaifeng， JIN Deshan， HE Zhifeng， PENG Zhiyuan， GUI Shaobo

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： Karot Hydropower Project is the first large hydro-power project of the Belt and Road in Pakistan. In order to ensure safe and stable operation of hydraulic turbine generator units in Karot Hydropower Station，Pakistan， we proposed hydraulic design requirements of the hydraulic turbine model test and carried the test. The model test included efficiency test， output test， cavitation test and pressure pulsation test.The tests results indicated that all the performance parameters of hydraulic turbine model of Karot Hydropower Project met the hydraulic design requirements .

Key words：model test of hydraulic turbine; cavitation; Karot Hydropower Station; Pakistan