五强溪水电站扩机工程水轮机模型复核试验及性能分析

王建新，何旭辉，袁世铎

（五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南 沅陵 419642）

1 前言

五强溪水电站位于沅水干流中下游，湖南沅陵县境内，上游距沅陵县城73 km，下游距常德市130 km。电站以发电为主，兼有防洪、航运等综合效益的枢纽工程。五强溪电站现装机1 200 MW(5×240 MW)，保证出力262.7 MW，多年平均发电量53.29亿kW·h，年利用小时数4 441 h，水量利用率80.94%。五强溪水电站扩机工程为岸边式厂房，总装机500 MW，装机2台，年利用小时数为1 117 h，多年平均年发电量为5.583亿kW·h。

本次水轮机模型复核试验在中国水利水电科学研究院水力机械实验室TP3试验台上进行，本次模型试验的目的是：通过模型复核试验，验证设备厂家提出的模型试验报告成果的真实性，试验内容包括模型的各种特性的抽查复核和对比，重点是水力稳定性。通过开展水轮机模型同台复核试验，对比模型试验资料预测原型机组的稳定性，掌握水轮机组主要水力性能及其稳定性状况，合理划分机组的安全稳定运行区域，其经济和社会效益巨大。五强溪电站扩机水轮机模型复核试验主要包括：

对复核试验时所采用的仪器进行标定；

出力及效率试验；

空化试验；

压力脉动试验；

叶道涡和卡门涡观察试验；

非遗转速试验。

2 五强溪电站扩机水轮发电机组主要参数

2.1 五强溪扩机机组运行条件

上游校核洪水位(P=0.1%） 114.53 m

上游设计洪水位(P=0.5%) 111.14 m

上游正常蓄水位 108.00 m

上游死水位 90.00 m

下游设计洪水位(P=0.5%) 74.61 m

下游校核洪水位(P=0.1%) 76.25 m

最大水头 58.90 m

最小水头 33.70 m

加权平均水头 46.73 m

额定水头 43.50 m

多年平均水温 18.00 ℃

多年平均气温 16.70 ℃

水轮机额定转速 68.2 r/min

水轮机安装高程 49.00 m

水轮机额定出力 255.1 MW

电站所在地重力加速度 9.792 145 m/s2

2.2 五强溪电站水轮机模型复核试验参数对照表

表1 五强溪电站水轮机模型复核试验参数对照表

2.3 模型水轮机

2.3.1 模型水轮机概述

设备厂家针对湖南五强溪电站扩机工程开发的模型水轮机（型号为A1563）包括蜗壳、座环、顶盖、导叶、转轮、底环和尾水管等部件，其材料为金属材料，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。模型从蜗壳进口处延伸至尾水管末端与水轮机真机相似。

2.3.2 模型水轮机流道尺寸

表2 模型水轮机流道尺寸表

2.3.3 原模型水轮机主要控制尺寸

表3 原模型水轮机主要控制尺寸表

3 复核试验结果

3.1 出力及效率试验

3.1.1 模型最优效率试验

试验水头：H≥25 m；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进行。

试验水头为25 m，模型转轮直径D2m=0.374 37 m，模型试验水温在12℃～30℃之间。因此，试验水温下水的最大运动粘性系数：

因此，模型雷诺数ReuM*为：

原型水轮机效率按两步法换算，最优效率点复核试验结果见表4。表中给出的复核试验模型效率值均为换算到标准雷诺数下的值，原型效率均采用两步法换算，后表同。报告中两步法换算用D2，单位参数换算用D1。

表4 最优效率点复核试验结果

3.1.2 水轮机加权因子点效率试验

试验水头：H≥25 m，空化系数：σ=σp；电站空化系数参考面为导叶中心线；水轮机加权因子的效率复核试验在电站空化系数下进行，在每一代表电站运行特征水头下通过调整活动导叶开度复核各水轮机出力下的效率。

水轮机加权因子的效率投标值复核试验结果见表5，因数据较多，本文仅选取33.7 m、43.5 m、58.9 m 3个特征水头复核试验数据。

表5 水轮机加权因子的效率复核试验结果

通过计算水轮机工况加权平均效率，与设备厂家试验数值的比较见表6。

表6 水轮机加权平均效率与设备厂家试验数值比较

3.1.3 水轮机出力试验

试验水头：H≥25 m；空化系数：σ=σp；电站空化系数参考面为导叶中心线；

在额定转速条件下，对保证原型水轮机出力的设备厂家试验值进行复核，数据结果见表7。

表7 水轮机在额定转速条件下，保证原型水轮机出力复核试验结果

复核试验结果表明，复核试验与设备厂家试验结果吻合，最优点效率与加权平均效率复核实验结果均略优于设备厂家试验结果。

3.2 空化试验

进行初生空化系数及临界空化系数试验，在电站空化系数下对转轮叶片空化、叶片进水边正压面和负压面空化的初生线与发展进行观测、拍照或录像，试验前应对前一天的试验结果进行部分复核；电站空化系数参考面为导叶中心线。试验水头：H≥25 m；水中空气含量满足IEC要求；空化试验内容见表8，复核试验结果见表9；叶片进水边正压面和负压面空化初生线观察，见表10和表11。

（1）初生空化系数σi的定义为随着尾水管的真空度的增加，在三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σc值采用σ1，σ1指与无空蚀工况效率相比，效率降低1%时的空化系数。

（2）叶片进水边正压面和负压面空化初生线的判定准则：根据在复核试验时，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。

（3）在初生空化系数、电站空化系数及临界空化系数下进行观测和图像记录。

复核试验数据见表8，典型点照片见表9。

表8 空化复核试验结果与设备厂家试验值的比较

表9 部分典型工况对应图像

复核试验结果表明，在电站全部正常运行范围内，电站空化系数σp与临界空化系数σ1的比值k1、电站空化系数σp与初生空化系数σi比值安全裕量ki均略优于设备厂家试验值。

3.3 压力脉动试验

压力脉动复核试验，在电站空化系数下进行，空化系数参考面为导叶中心线，测定与水流不稳定或尾水管涡带有关的蜗壳、转轮与导叶之间、顶盖与转轮上冠之间及尾水管的压力脉动的幅值和频率，测压孔布置应位于能测量压力脉动最大幅值的位置。

压力脉动复核试验在不补气的条件下进行，试验内容包括不同水头不同负荷压力脉动试验。试验数据采用FFT分析软件进行幅频特性分析，试验结果给出各测点的时域图、频域图及相关试验数据表格。

复核详情见表10、表11。

表10 尾水管压力脉动混频双振幅投标值复核试验结果（±Y0.3D2）

表11 导叶后、转轮前区域压力脉动混频双振幅投标值复核试验结果

复核试验表明，在整个运行范围，压力脉动的幅值满足要求，在整个运行区内未出现高部分负荷压力脉动。空化系数压力脉动试验结果表明空化系数的变化对压力脉动幅值影响不大，在33.70 m～58.90 m运行水头条件下，水轮机能够在空载以及45%～100%出力范围内连续安全稳定运行。

3.4 叶道涡和卡门涡观察试验

通过目测观察转轮叶片出口侧同时在3个转轮叶道间开始出现的涡流，并根据观测结果在水头和出力关系图中绘制出口侧叶道涡初生线。

通过目测观察转轮叶片出口侧的发展叶道涡（所有流道同时出现），并根据观测结果在水头和出力关系图中绘制出口侧叶道涡发展线,详见表12。

表12 叶道涡初生和发展线复核试验结果

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，详见表13。

表13 可见卡门涡范围

3.5 飞逸转速试验

试验在能量工况下进行，试验水头：H≥10 m，复核情况见表14。

表14 飞逸转速复核试验结果

复核试验表明，试验结论与设备厂家试验试验结果吻合。在100%导叶开度时单位飞逸转速与换算到最大水头时飞逸转速均略优于设备厂家试验结果。

4 复核试验小结

通过在第三方中立试验台进行五强溪扩机工程水轮机模型复核试验，验证设备厂家提出的模型试验报告成果的真实性，可信度高。复核试验表明A1563模型水轮机最优效率、加权平均效率均略优于设备厂家试验数值，满足合同文件中相应要求；在额定水头43.5 m、额定转速68.2 r/min时，水轮机工况额定出力达到255.1 MW，满足合同文件相应要求；A1563模型水轮机在规定的水头范围内有较高的效率，且效率曲线变化平缓，在正常运行范围内可长期连续安全稳定运行；A1563 模型水轮机空化性能满足合同文件要求，空化性能优异，具有较大的空化安全裕度；在整个运行范围，A1563 模型水轮机压力脉动幅值满足合同文件要求，在整个运行区内未出现高部分负荷压力脉动，电站不同空化系数对压力脉动幅值影响不大；在额定开度下，换算至最大水头下对应飞逸转速优于设备厂家试验数值，两者均优于合同要求；流态观测方面，在电站运行范围内，未发现叶片进水边正、背面脱流及可见卡门涡现象[1]。

综上分析，A1563模型水轮机综合性能优良，具有良好的效率、出力、空化、飞逸和稳定性性能，各项性能指标均满足五强溪水电站扩机工程水轮机安全、稳定、高效运行的要求。