基于高速摄影的水力机械空化空腔膨胀收缩特性试验研究

2023-09-05徐洪泉张海平

水力发电 2023年8期

徐洪泉，朱雷，何磊，张海平

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引言

水轮机、水泵和水泵水轮机在运行过程中都会遇到不同程度的振动稳定性问题，比较严重的会导致机组和厂房振动强烈[1-3]，噪声大，有的还会产生转轮叶片断裂[4-5]、尾水管撕裂[6]、压力及负荷振荡[7]、厂房裂纹[8]等故障，许多大中型机组不得不限制运行范围[1-2]。

比较严重的水力机械振动稳定性问题，多数由水力因素引起，尾水管涡带压力脉动[9]、卡门涡振动[10-11]、叶道涡[12-13]、高部分负荷压力脉动[14]等不稳定现象是主要的水力不稳定成因。在对这些水力不稳定因素进行全运行范围综合分析和比较研究后可发现，几乎所有的压力脉动或水力因素导致振动突出工况均和各种形态的涡流密不可分，涡流的空化空腔是这些不稳定现象如影随形的存在，叶道涡空腔伴随着低负荷压力脉动，偏心涡带伴随着部分负荷压力脉动，松散的上直下弯涡带伴随着高部分负荷压力脉动[15]，鼓形涡伴随着大负荷压力脉动[6]，而卡门涡则会引起中高负荷卡门涡频率强振。

在对各种水力不稳定现象和空化空腔之间密切关系进行深入分析的基础上，中国水利水电科学研究院研究团队提出了空化空腔危害水力机械水力稳定性理论[16]，并在对涡旋流及其空化空腔[17]进行深入分析的基础上针对卡门涡[18]和尾水管涡带[19]2种空化空腔的危害特性及方式提出探讨，认为空化空腔属低压空泡团，会随压力变化而膨胀、收缩甚至溃灭，产生或放大压力脉动幅值，是大幅值压力脉动的主要根源。在文献[20]中，还应用动量方程分析估算了空泡团溃灭时的冲力，证明高频、大尺寸空化空腔会产生非常巨大冲击力。

不可否认的是，这些论证均基于理论分析，虽部分经过实践验证，但空化空腔的膨胀、收缩、溃灭并没有实际的图像资料进行证实。本文补充和深化这一研究，分别对混流式水轮机的叶道涡空腔和贯流式水轮机的间隙空化空腔进行了高速摄影研究，用大量的图像资料验证了空化空腔遇低压膨胀、遇高压收缩、溃灭的特性，为证明空腔危害水力机械稳定性理论的科学性提供了重要证据。

1 混流式水轮机叶道涡空腔的膨胀收缩特性

1.1 试验方法及试验工况简介

叶道涡高速摄影试验研究于2021年6月在中国水利水电科学研究院水力机械实验室进行。模型水轮机转轮进水边直径D1=0.372 2 m，出水边直径D2=0.37 m，导叶高度B0=0.26D1，转轮叶片数Zr=15，属中水头混流式水轮机，俯视顺时针方向旋转。

叶道涡多发生在低单位转速、小负荷工况，高速摄影选择的拍摄工况为：单位转速n11=70.4 r/min，单位流量Q11=0.274 m3/s，空化系数σ=0.07。试验水头H=30.27 m，转速n=1 040.1 r/min，流量Q=0.207 5 m3/s，转轮出水边轴向流速Vz=1.93 m/s，转轮叶片外缘圆周速度U=20.15 m/s。高速摄影频率为1 200 Hz，两帧照片间隔时段Δt=1/1 200 s=0.833 ms。之所以没有选择更低空化系数，是因为空化更为严重，大片的叶道涡空化，很难看清哪个叶道涡空腔膨胀、收缩或溃灭了。

对小负荷混流式水轮机而言，叶道涡是普遍存在，至于所谓的叶道涡是否存在、严重与否均指“可见叶道涡”，即叶道涡空化后状况，能看见空化气泡团组成的长条状空泡云团。如该叶道涡被完全空化，可从叶片进水边一直延伸至尾水管。但转轮进水边、出水边及尾水管压力差别很大，尾水管不同相位(径向角度)压力也高低不同，就可能造成叶道涡只有局部压力低于空化压力处才出现空化空腔，表现为一小截空泡团，甚至是一个很小的空泡团。

1.2 叶道涡空腔的膨胀

叶道涡空化空腔的膨胀过程如图1所示。在泄水锥左下方叶片上(见图1a箭头处)叶道涡空腔比较细长，1/1 200 s后空泡团明显变粗变亮，体积增大(见图1b箭头处)，说明叶道涡空腔发生了膨胀现象。需要说明的是，这两帧照片的两个空泡团不一定对应同一水体，其最严重空化部分多对应最低压力处，该最低压力通常由尾水管环境压力及转轮叶片出水边位置共同决定，其真实空间位置有可能变化很小。

图1 叶道涡空腔膨胀过程

1.3 叶道涡空腔的收缩

叶道涡空腔离开叶片后收缩过程如图2所示。在与泄水锥左下方叶片出水边可见面积较大的明亮空泡团(见图2a圆圈处)，但1/1 200 s后空泡群(见图2b圆圈处)面积明显缩小，亮度降低，其主要原因是离开叶片后压力的上升，说明叶道涡空腔发生了收缩现象。

图2 叶道涡空腔离开叶片时收缩状况

1.4 叶道涡空腔的溃灭

文献[16]和文献[20]认为，空化空腔的溃灭会给水力机械稳定运行带来巨大的危害。就空化空腔气泡团而言，空泡团溃灭是空泡团收缩的特殊现象及过程，是其收缩到体积为0时的特殊状态。通过高速摄影照片的慢速播放或连续照片对比，可证明空化空腔由大到小、再到溃灭的全过程，证明该空化空腔可在不到千分之一秒的短时间内从有到无，瞬间溃灭。

图3、4给出了2个叶道涡空腔的溃灭的过程。图3从-1 303帧至-1 301帧的3帧高速摄影连续照片中，泄水锥正下方叶片出水边有一叶道涡空腔(白色空泡团)，图3a(-1 303帧圆圈处)空泡团稍大，1/1 200 s后的图3b(-1 302帧圆圈处)空泡团变小，再过1/1 200 s到图3c(-1 301帧)时空泡团已消失，完全溃灭。图4中间叶片(泄水锥下方)上的叶道涡空腔，图4a(-1 057帧圆圈处)空泡团较大，1/1 200 s后的图4b(-1 056帧圆圈处)空泡团移动到出水边并变小，到图4c(-1 055帧)该空泡团已完全溃灭。

图3 叶道涡空腔溃灭过程(1)

图4 叶道涡空腔溃灭过程(2)

因此，叶道涡空化空腔无论是在叶道内还是离开转轮后，都会因压力降低而膨胀，因压力上升而收缩或溃灭，并因此而放大或衍生出新生压力脉动。

2 贯流式水轮机间隙空化空腔的膨胀收缩特性

灯泡贯流式水轮机多为转桨式，叶片外缘和转轮室、叶片根部和轮毂体之间都有间隙；贯流式水轮机采用活动导叶，导叶两个端面也有间隙。有间隙就会漏水，间隙流速高了会产生空化，甚至会因此而衍生出1、2倍叶频、导叶过流频率等高频压力脉动及振动[21]。文献[21]认为，该1、2倍或3倍叶频压力脉动即由叶片间隙空化空腔引起，是空化空腔随高程变化膨胀-收缩(甚至溃灭)变化引起的。本次贯流式水轮机间隙空化高速摄影研究的目的就是为了验证该理论分析的真实及科学性。

2.1 试验方法及试验工况简介

贯流式水轮机间隙空化空腔的高速摄影试验采用一台4叶片水轮机模型进行，其转轮直径D1=0.35 m，叶片与转轮室之间的单边间隙为0.1～0.15 mm。转轮最优工况参数为：最优单位转速n110=152.7 r/min，Q110=1.567 m3/s。

模型水轮机为卧式布置，从高压侧往低压侧观察顺时针旋转，高压侧居西。模型转轮室为半球形，喉管及尾水锥管采用有机玻璃制造，对转轮出水边及叶片背面的空化观测及本次高速摄影通过有机玻璃进行。试验于2021年12月28日在中国水利水电科学研究院水力机械实验室进行，摄影频率同样为1 200 Hz。

高速摄影在同一导叶开度下进行，转速n=923.6 r/min，水头H=4.2 m，单位转速n11、单位流量Q11也基本保持恒定。表1列出了3个试验工况的参数及拍摄位置，其主要参数区别在空化系数，2号工况的空化系数小于1号和3号工况；拍摄位置分南、北两侧，区别在于北侧拍摄叶片由低往高旋转，而南侧拍摄叶片由高往低旋转。

表1 高速摄影工况主要参数

2.2 间隙空化空腔的膨胀

间隙空化空腔的膨胀特性主要通过北侧位置拍摄的照片观察(叶片由低往高旋转)，对应于表1中的1号和2号工况。该位置拍摄的近处叶片往上旋转，环境压力逐渐降低。

图5两帧照片记录了2号工况下隔0.003 33 s时2号叶片端部和根部的空化状况。在图5a(-2 258帧)中，外缘间隙漏水引起的间隙空化带为长条状(图中右下角)，比较窄，共两条；叶片根部法兰处有一隐隐约约空泡团(见圆圈处)，只有一个亮点，由叶片进水边间隙漏水空化引起。但随着叶片旋转，2号叶片外缘及内侧各点均向上移动，环境压力降低，图5b(-2 254帧)的叶片外缘间隙空化带变长、变宽，空化带由2条变为3条；叶片法兰处的空化空腔变大，可看到一个明显的银灰色空泡团(见图5b圆圈处)。

图5 贯流式水轮机间隙空化空腔的膨胀过程(2号工况)

2.3 间隙空化空腔的收缩及溃灭

间隙空化空腔的收缩及溃灭特性主要通过南侧位置拍摄的照片观察(叶片由高往低旋转)，对应于表1中的3号工况。该位置拍摄的近处叶片往下旋转，环境压力随之逐渐增高。

叶片外缘和转轮室的间隙空化受位置和叶片厚度及间隙大小等多重因素影响，空腔溃灭不明显，主要通过对轮毂体与叶片根部间隙空化空腔的观察进行探讨。

图6为1号叶片法兰处在3号工况3个时刻的空化状况。在图6a(-137帧)中，1号叶片法兰处间隙空化空泡团(如箭头所指)比较长也比较实；但0.001 67 s后，图6b(-135帧)该空泡团(如箭头所指)变短、变虚；再过0.004 17 s后，图6c(-130帧)中空泡团已完全消失。究其原因，是因为随着转轮旋转，空泡团所在的叶片法兰处位置降低，环境压力上升，使空化空腔体积逐渐收缩，最后完全溃灭。

图6 贯流式水轮机间隙空化空腔的收缩及溃灭过程(3号工况)

试验中转速n=923.7 r/min，高速摄影频率为1 200 Hz。如假定该模型轮毂体直径是转轮直径的0.4倍，在两帧照片拍摄间隔的1/1 200 s期间，转轮旋转了4.62°。也就是说，如果假定图6a所示空化空腔在轮毂体最高处，则到图6b位置时高程下降11.2 mm，到图6c位置时高程下降37.4 mm，高程的降低造成该空化空腔的溃灭消失。