混流式水輪機模型試驗異常水力現象研究

李金偉，于紀幸，鄭建興，張強

（1.北京中水科工程總公司，北京100048；

2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014）

?

混流式水輪機模型試驗異常水力現象研究

李金偉1，于紀幸1，鄭建興2，張強2

（1.北京中水科工程總公司，北京100048；

2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014）

介紹了某大型混流式水輪機模型復核試驗過程中出現的異常水力現象，對其產生的水力原因進行了研究和揭示。本文的研究過程和研究結論可為其它水輪機模型試驗和實際運行中出現的異常水力現象的原因分析提供參考。

混流式水輪機；模型試驗；水力現象；研究

1　概述

模型試驗[1-6]是檢驗水輪機水力性能主要參數設計效果必不可少的環節和有效方式。國內某大型混流式水輪機模型復核試驗過程中，大流量區的壓力脈動出現了“峰值”（“山頭”或“局部極值”）現象，本文對該現象產生的水力原因進行了研究。

水輪機基本參數如表1。

表1　水輪機基本參數

2　壓力脈動模型復核試驗內容

壓力脈動復核試驗在不補氣的條件下進行，不同水頭不同負荷壓力脈動試驗在裝置空化系數下進行，空化系數參考面為導葉中心線，試驗水頭不低于30m。試驗內容如下：

（1）模型復核試驗對原型水輪機運行區域（原型機組運行水頭：82.5 m、90 m、95 m、100 m、105 m、110m以及113.6m）進行測量。在每一原型運行水頭下，導葉開度每間隔2°左右為一測量工況點，額定水頭以上（含額定水頭）從空載校核至103%額定出力，額定水頭以下校核至110%預想出力。對部分負荷的壓力脈動復核試驗，加密了試驗工況（0.1~0.2°）。

（2）ΔH為實測壓力脈動按97%置信概率計算的混頻雙峰值，H為相應的試驗水頭。

壓力脈動測點布置在蝸殼進口、無葉區、尾水管錐管和肘管等斷面，共9個。各測點對應的位置和符號如圖1所示。

圖1　壓力脈動測點對應的位置和符號

3　試驗結果

由圖2、圖3可以看出：

（1）Hp=95m、100m水頭下，機組額定功率上下各測點的壓力脈動出現“峰值”現象。

（2）Hp=95m（749.65MW、760.92MW、771.43MW）、100 m（799.12MW、807.09MW、815.73MW）工況下，各測點的壓力脈動相對頻率f1/fn都在0.48~0.55之間，隨負荷的增大而減小。同一負荷下，各測點壓力脈動的主頻相同。

圖2　Hp=95m時不同負荷工況下部分測點的壓力脈動相對幅值和主頻

圖3　Hp=100m時不同負荷工況下部分測點的壓力脈動相對幅值和主頻

圖4　Hp=95m、760.92MW工況下9個測點的壓力脈動的時域圖和頻譜圖

圖5　Hp=100m、807.09MW工況下9個測點的壓力脈動的時域圖和頻譜圖

4　試驗結果分析

一般而言，混流式水輪機在大流量區轉輪出流具有負環量，導致流道中出現大負荷區壓力脈動，其幅值隨負荷的增大而增大，這是混流式水輪機的典型特征之一，但這種變化是漸變的。如果壓力脈動出現“峰值”現象，則意味著水輪機流道中出現了異常水力現象。

在封閉的流道中，使壓力脈動異常增大的可能性只有一個，就是發生了共振。圖4、圖5中的時域圖顯示：Hp=95m、100m兩個水頭下出現“峰值”壓力脈動時，各測點壓力脈動的相位基本一致，也證明了這一點。

但是，這種共振的激發力是什么，共振體是模型試驗臺還是流道中的水體？需要進一步研究。

如果是機組內的水力激振力激發了模型試驗臺的共振，則會出現以下現象：①模型試驗臺產生劇烈的振動。②模型試驗臺的劇烈振動與機組內的水力激振力最終會步調一致，表現形式就是機組流道內不同部位的壓力脈動的主頻均為模型試驗臺的固有頻率，是一個固定值。這與本文中的模型復核試驗結果不相符，因此可以排除這種可能性。

所以，本文中異常水力現象的原因只能是機組內的水力激振力激發了水體的共振。那么，水力激振力是什么？共振的水體又是什么？

水輪機流道中可以產生初生壓力脈動的部位有：固定導葉（卡門渦）、活動導葉（導葉過流頻率壓力脈動）、轉輪進口（葉片過流頻率壓力脈動、進口水流沖擊、脫流和次生水沖擊）、尾水管（渦帶壓力脈動和其它旋轉速度產生的多種頻率的壓力脈動）等。通過壓力波的傳遞，壓力脈動可以由一個部位傳遞到其它部位。大量的工程實踐表明，尾水管中水流的圓周速度與尾水肘管相互作用可以產生低頻的、具有同步特性的壓力脈動。這些頻率成分的壓力脈動幅值通常都比較小，很難引起人們的注意，但當其引起某種水體共振時，這種壓力脈動連同被它激發而共振產生的壓力脈動就會變得十分強烈。本文中的異常水力現象發生在大流量區，且主頻與轉頻的比值處于0.48~0.55之間，屬于低頻，符合尾水管同步壓力脈動的特征。

水輪機中水體的共振一般有兩種形式[7]：一種是所謂的聲學諧波共振，出現在單一的水體中，其固有頻率基本不變；另一種是水氣聯合體的彈性共振，其固有頻率與聯合體的總體積和空腔體積成反比。本文模型復核試驗中，Hp=95m、100m時，共振工況下5結語

“峰值”壓力脈動的相對頻率處于0.48~0.55之間，隨負荷的增大而降低。以Hp=95 m為例，負荷由749.65MW→760.92MW→771.43MW增大過程中，轉輪出流形成的負環量逐漸增強，尾水管內的空腔體積逐漸增大，水氣聯合體的固有頻率則逐漸減小，符合本文模型復核試驗結果的變化趨勢，因此可以推定共振水體是尾水管中的水氣聯合體，共振工況下HD1、HD2、HD3、HD4測點的壓力脈動增幅比值最大也可間接證明這一點。

（1）本文模型復核試驗過程中，大流量區出現的壓力脈動“峰值”現象是水體共振的結果。

（2）水體共振的水力激振力是尾水管中具有同步特性的壓力脈動。

（3）共振水體是尾水管中的水氣聯合體。

對于模型復核試驗過程中的異常水力現象，研究清楚其中的水力原因才能為后續的水力設計優化建立基礎，本文的研究過程和研究結論可為其它水輪機模型試驗和實際運行中出現的異常水力現象的原因分析提供參考。

[1]楊翼蜀,楊波,龔莉.黃金坪電站水輪機模型試驗研究[J].東方電機,2012(2):1-5.

[2]郭彥峰,劉登峰,許彬.向家壩水電站模型試驗研究分析[J].大電機技術,2011(2):37-40.

[3]李友平,黃源芳,李建斌.溪洛渡水電站福伊特水輪機模型及驗收試驗[J].電工文摘,2011:31-34.

[4]劉海輝,李冬陽,田樹鵬.蒲石河抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗及性能分析[J].東北水利水電,2011(11): 46-48.

[5]黃大俊,李文化.江坪河水電站水輪機模型驗收試驗及分析[J].水電站機電技術,2010,33(4):40-43.

[6]鄭建興,張俊芝,曾再祥,等.黑麋峰蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗及性能分析[J].水力發電,2010,36(7):63-65.

[7]李啟章,張強,于紀幸,等.混流式水輪機水力穩定性研究[M].北京:中國水利水電出版社,2014.

TK730.1

A

1672-5387（2016）02-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.001

2015-10-23

李金偉（1981-），男，高級工程師，從事水輪機的模型試驗、振動穩定性測試、性能試驗以及內部流場的CFD計算等研究工作。