趙 越, 呂延光, 黎 輝, 吳可君

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

近年來水輪機(jī)模型試驗技術(shù)的發(fā)展

趙 越, 呂延光, 黎 輝, 吳可君

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

水輪機(jī)是一門理論分析和試驗研究相結(jié)合的學(xué)科，世界水電研究領(lǐng)先公司和科研機(jī)構(gòu)，在重視流體動力學(xué)分析（CFD）技術(shù)和手段的同時，無一不重視模型試驗測試技術(shù)的提高和模型試驗研究等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文介紹了近年來國內(nèi)在水輪機(jī)模型試驗中的技術(shù)研究和技術(shù)進(jìn)步。

水輪機(jī); 模型試驗; 技術(shù)研究; 技術(shù)進(jìn)步

1 前言

自1998年三峽水輪機(jī)技術(shù)引進(jìn)以來，十年間國內(nèi)水輪機(jī)模型試驗技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。國內(nèi)具有水輪機(jī)研發(fā)能力的企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)均在提高試驗?zāi)芰?、擴(kuò)展研究領(lǐng)域、加深研究力度、全面同國際接軌和確保試驗結(jié)果的可靠性等方面做了大量的工作并取得了可喜的成績。

本文將就近年來國內(nèi)水輪機(jī)模型試驗技術(shù)的相關(guān)進(jìn)步做一簡要介紹。

2 試驗?zāi)芰Φ奶岣?/h2>

作為水輪機(jī)模型試驗基礎(chǔ)的高水頭閉式水輪機(jī)模型試驗臺數(shù)量的多寡，在某種程度上代表著水輪機(jī)開發(fā)能力和水輪機(jī)模型試驗?zāi)芰Φ母叩汀Ｊ澜缟先魏我患抑乃娭圃炱髽I(yè)都擁有多座水輪機(jī)模型試驗臺。在重視模型試驗臺數(shù)量的同時，各國水輪機(jī)制造商還都特別注重水輪機(jī)模型試驗臺的專用性。根據(jù)水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速不同，一般軸流式（貫流式）和混流式模型水輪機(jī)都在各自專用的試驗臺上進(jìn)行試驗。

近年來，國內(nèi)具有自主研發(fā)能力的企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)均對其原有的水輪機(jī)模型試驗臺進(jìn)行了改造并盡最大可能新建了一批專用水輪機(jī)模型試驗臺。

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡稱哈電)在90年代中后期將上世紀(jì)80年代前期建設(shè)的國內(nèi)第一座高水頭水力機(jī)械通用試驗臺（高I臺）進(jìn)行了測試系統(tǒng)和電氣拖動系統(tǒng)的技術(shù)改造，使其更加符合當(dāng)前水輪機(jī)模型試驗的要求外，還于90年代后期建設(shè)了水力機(jī)械高水頭試驗II臺（高II臺），并于2000年投入商業(yè)運行。與高I臺這樣的水力機(jī)械通用試驗臺不同的是，高II臺是一座專用的水輪機(jī)模型試驗臺。如圖1所示，高II臺的兩個工位分別按照不同類型水輪機(jī)的模型試驗要求設(shè)計。A工位（圖中右側(cè)）專門用于混流式水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)的模型試驗研究，而B工位（圖中左側(cè)）則專門用于軸流式水輪機(jī)和貫流式水輪機(jī)的模型試驗研究工作。目前，哈電擬新建四座專用的水輪機(jī)模型試驗臺，第一期建設(shè)兩座，將分別用于貫流式（軸流式）和水泵水輪機(jī)的研究，預(yù)計2010年投入運行。

東方電機(jī)有限公司（以下簡稱東電）也在本世紀(jì)初對其原有的高臺和大流量試驗臺進(jìn)行了測試系統(tǒng)和電氣拖動系統(tǒng)的改造，并正在新建四座新的水輪機(jī)模型試驗臺。

中國水利水電科學(xué)研究院在北京大興試驗研究基地新建了三座水力機(jī)械通用試驗臺，用于進(jìn)行第三方中立試驗及相應(yīng)的研發(fā)工作。

上述企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)對已有試驗臺的技術(shù)改造尤其是一大批新試驗臺的建設(shè)，極大地提高了國內(nèi)水輪機(jī)模型的試驗?zāi)芰Α?/p>

圖1 哈電水力機(jī)械高水頭試驗II臺系統(tǒng)

3 水輪機(jī)模型試驗研究領(lǐng)域的拓展

3.1 由單純的外特性研究發(fā)展為兼顧外特性和內(nèi)特性的研究

水輪機(jī)的能量特性、空化特性、飛逸特性和壓力脈動特性是水輪機(jī)內(nèi)部流動規(guī)律的外部表現(xiàn)，通常又被稱為水輪機(jī)的外特性。傳統(tǒng)的水輪機(jī)模型試驗是對模型水輪機(jī)的能量特性、空化特性、飛逸特性和壓力脈動特性進(jìn)行研究，并以此推知與模型水輪機(jī)幾何模擬的原型水輪機(jī)的相應(yīng)的性能特性。此即為外特性試驗。由于外特性試驗無法直接揭示水輪機(jī)性能變化的原因，因此，以轉(zhuǎn)輪葉道渦、轉(zhuǎn)輪葉片正背面脫流和葉片出口可見卡門渦觀測為代表的水輪機(jī)內(nèi)特性研究就越來越成為模型水輪機(jī)試驗研究的重要領(lǐng)域。

為此，國內(nèi)具有研發(fā)能力的制造廠家及研究機(jī)構(gòu)均開發(fā)了用于水輪機(jī)內(nèi)特性研究的模型水輪機(jī)流態(tài)觀察成像系統(tǒng)。通過高清晰視頻圖像對模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口和尾水管錐管處的流動情況加以研究。

圖2為某模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口處的流動情況：其中左側(cè)大圖為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉道渦的情況，右上圖為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口流動情況，右下圖為尾水管渦帶情況。圖3所示的水輪機(jī)模型特性曲線上標(biāo)出了轉(zhuǎn)輪葉片正背面脫流、葉道渦和葉片出口處卡門渦的情況。

隨著對水輪機(jī)內(nèi)特性研究能力的提高，水輪機(jī)內(nèi)特性的研究已成為水輪機(jī)模型試驗研究的一項常規(guī)項目。水輪機(jī)內(nèi)特性試驗為空化、穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)輪裂紋的研究開辟了一條新的途徑，使水輪機(jī)模型試驗技術(shù)進(jìn)入到了兼顧內(nèi)外特性研究的新階段。

圖2 模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口處的流動情況

3.2 由單純的穩(wěn)態(tài)過程研究發(fā)展為通過穩(wěn)態(tài)研究來解決某些瞬態(tài)過程的問題

從傳統(tǒng)意義上講，水輪機(jī)模型試驗所研究的問題均為水輪機(jī)穩(wěn)態(tài)過程中的現(xiàn)象，由于引水系統(tǒng)和調(diào)節(jié)過程中時間常數(shù)的不同，在常規(guī)的水輪機(jī)模型試驗臺上無法進(jìn)行水輪機(jī)瞬態(tài)過程的試驗研究。

隨著對水輪機(jī)基本規(guī)律認(rèn)識的深入及試驗技術(shù)的進(jìn)步，某些原本無法采用穩(wěn)態(tài)試驗結(jié)果研究的瞬態(tài)過程現(xiàn)象，也開始嘗試?yán)梅€(wěn)態(tài)試驗的結(jié)果加以研究。

哈電針對某電站水輪機(jī)曾發(fā)生過在大波動過程即將結(jié)束時出現(xiàn)抬機(jī)及劇烈振動現(xiàn)象，在優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的同時，還在模型試驗臺上開展了利用水輪機(jī)穩(wěn)態(tài)過程的研究來探索瞬態(tài)過程中不穩(wěn)定機(jī)理的工作。首先，對該混流式水輪機(jī)的四象限特性，特別是在機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的極小導(dǎo)葉開度時的水輪機(jī)制動和反水泵工況的特性進(jìn)行了研究。然后，將原型機(jī)實際的導(dǎo)葉關(guān)閉軌跡點繪制在上述水輪機(jī)四象限特性曲線上（如圖 4所示）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的關(guān)閉規(guī)律下，當(dāng)模型水輪機(jī)導(dǎo)葉開度關(guān)閉至3～6mm時，水輪機(jī)從制動工況進(jìn)入到了反水泵工況，從而發(fā)生了抬機(jī)現(xiàn)象；而隨著導(dǎo)葉進(jìn)一步關(guān)閉，水輪機(jī)從反水泵工況進(jìn)入到準(zhǔn)零流量狀態(tài)，引發(fā)水錘現(xiàn)象從而引起劇烈地振動。根據(jù)上述原因提出的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，在最后一段關(guān)閉時適當(dāng)延長了關(guān)閉時間。采取上述措施后，該水輪機(jī)甩負(fù)荷時再也沒有出現(xiàn)抬機(jī)及劇烈振動現(xiàn)象。

雖然上述案例僅為個案，但卻為通過對水輪機(jī)的穩(wěn)態(tài)研究來解決某些瞬態(tài)過程發(fā)生的問題提供了一個良好的開端。

圖3 帶流態(tài)觀察結(jié)果的模型特性曲線

圖4 某水輪機(jī)的四象限特性曲線（局部）

4 相關(guān)領(lǐng)域研究的深入

在積極拓寬研究領(lǐng)域的同時，水輪機(jī)常規(guī)模型試驗項目壓力脈動、空化、效率和飛逸轉(zhuǎn)速等方面的研究深度都有了長足的進(jìn)步。

4.1 壓力脈動研究的深入

4.1.1 壓力脈動試驗儀器完成了由靜態(tài)傳感器到動態(tài)傳感器的轉(zhuǎn)變

模型水輪機(jī)壓力脈動測量長期以來一直采用靜態(tài)傳感器。在傳感器技術(shù)日臻完善的今天，由于動態(tài)傳感器的性能已足以滿足水輪機(jī)模型試驗的要求，國內(nèi)各有實力的水力試驗室在進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗研究時都全面采用了動態(tài)傳感器進(jìn)行壓力脈動的測量。采用頻率響應(yīng)范圍更高的動態(tài)傳感器及相應(yīng)的測量系統(tǒng)后，可以在更寬的頻率范圍內(nèi)對水輪機(jī)壓力脈動現(xiàn)象進(jìn)行研究。

4.1.2 不同空化基準(zhǔn)情況下的壓力脈動研究

由于空化基準(zhǔn)面是對應(yīng)于空化的發(fā)生位置來選擇的，而發(fā)生最大空化的位置不一定在機(jī)械基準(zhǔn)面上，這就會導(dǎo)致空化基準(zhǔn)面與機(jī)械基準(zhǔn)面位置的不同。針對此種情況，國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)都曾進(jìn)行過在不同的空化基準(zhǔn)下的水輪機(jī)壓力脈動試驗研究。該項試驗研究為保證水輪機(jī)的安全運行提供了試驗數(shù)據(jù)。

4.1.3 高部分負(fù)荷壓力脈動現(xiàn)象的研究

對于像三峽水輪機(jī)這樣的巨型機(jī)組，由于其相應(yīng)部件結(jié)構(gòu)尺寸的增大，其相對剛度和固有頻率勢必隨之下降。而在高部分負(fù)荷出現(xiàn)、壓力脈動幅值較高且主頻高于 1倍轉(zhuǎn)頻的高部分負(fù)荷壓力脈動現(xiàn)象由于其具有較高的能量，特別是其主頻高于機(jī)組的轉(zhuǎn)頻，使機(jī)組某些結(jié)構(gòu)部件與水力頻率發(fā)生共振的幾率大為提高。為保證大型、巨型機(jī)組的運行穩(wěn)定性和安全性，哈電、東電等制造企業(yè)對高部分負(fù)荷壓力脈動現(xiàn)象都進(jìn)行了深入地研究并對高部分負(fù)荷壓力脈動發(fā)生、發(fā)展的一般規(guī)律有了一定的認(rèn)識。哈電生產(chǎn)的三峽右岸水輪機(jī)在整個運行范圍內(nèi)沒有高部分負(fù)荷壓力脈動現(xiàn)象發(fā)生。

4.1.4 對水輪機(jī)模型與原型間壓力脈動幅值關(guān)系的研究取得階段性成果

通常認(rèn)為，由于水輪機(jī)模型與原型間與外界的各種相互作用或其流體特性不同，原型壓力脈動幅值與直接由模型試驗轉(zhuǎn)換過來的值有很大差異，即無法建立起模型與原型之間的壓力脈動幅值間的關(guān)系。而通過對模型與原型測點位置嚴(yán)格對應(yīng)的三峽水輪機(jī)的壓力脈動幅值的研究（如圖5所示）可以發(fā)現(xiàn)，在中高出力時，模型與原型的壓力脈動幅值的變化趨勢基本相同，而在低負(fù)荷時，可能由于流動情況比較復(fù)雜，模型與原型間的對應(yīng)關(guān)系并不十分明顯。該項研究證實了在水輪機(jī)長期運行的中高負(fù)荷區(qū)域，水輪機(jī)模型與原型間的壓力脈動幅值的變化趨勢是一致的，這就為通過模型水輪機(jī)的壓力脈動研究原型水輪機(jī)的穩(wěn)定性提供了試驗依據(jù)。

4.1.5 壓力脈動隨吸出高度的變化規(guī)律的研究

為保證水輪機(jī)壓力脈動在吸出高度變化范圍內(nèi)都能處在可接受的范圍內(nèi)，進(jìn)行了壓力脈動隨吸出高度變化的研究。壓力脈動隨吸出高度的變化趨勢如圖 6所示，在一定的吸出高度變化范圍內(nèi)，水輪機(jī)壓力脈動幅值基本不發(fā)生變化，隨著吸出高度的進(jìn)一步降低，水輪機(jī)壓力脈動幅值會呈現(xiàn)一種隨著吸出高度的降低而不斷增大的趨勢，壓力脈動達(dá)到最大值后，又隨著吸出高度的降低而降低直至恢復(fù)到基本不隨吸出高度的降低而變化的狀態(tài)。該項研究為合理選擇水輪機(jī)安裝高程及保證水輪機(jī)的長期穩(wěn)定安全運行奠定了理論基礎(chǔ)。

圖5 機(jī)組出力與壓力脈動幅值關(guān)系曲線

圖6 吸出高程與壓力脈動幅值關(guān)系曲線

4.2 空化研究的深入

常規(guī)的空化研究是通過研究諸如效率、流量和振動噪聲等水輪機(jī)外特性的變化而確定空化現(xiàn)象的發(fā)生，此時，空化現(xiàn)象已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模足以影響到水輪機(jī)的外特性。而隨著水輪機(jī)大型化、巨型化程度以及對水輪機(jī)無空化運行要求的不斷提高，對水輪機(jī)，特別是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片吸力面上何時何處開始發(fā)生空化的研究，即初生空化現(xiàn)象的研究就顯得十分重要了。

初生空化現(xiàn)象發(fā)生時并沒有引起上述外特性的顯著變化，只能在模型試驗中利用尾水錐管透明段及頻閃同步技術(shù)，確定何種工況下轉(zhuǎn)輪葉片吸力面上何處有氣泡初生，即發(fā)生初生空化現(xiàn)象。根據(jù)初生空化現(xiàn)象的觀測結(jié)果，可以適當(dāng)?shù)貙λ啓C(jī)進(jìn)行局部修型，以達(dá)到避免在該處發(fā)生氣泡的作用；另外，還可以依此適當(dāng)?shù)卣{(diào)整水輪機(jī)運行范圍來保證水輪機(jī)在運行范圍內(nèi)無空化運行。

初生空化現(xiàn)象的研究，使水輪機(jī)空化研究不僅能通過外特性進(jìn)行研究，還能夠?qū)?nèi)特性和外特性同時進(jìn)行研究，不僅可以從外部表象上探知空化現(xiàn)象，更重要的是，能夠從發(fā)生機(jī)理層面對空化現(xiàn)象進(jìn)行分析，從而使對空化現(xiàn)象的研究上升到一個更高的層次。

4.3 模型水輪機(jī)效率試驗和飛逸轉(zhuǎn)速試驗的進(jìn)步

4.3.1 電站空化系數(shù)下的模型水輪機(jī)效率試驗和飛逸轉(zhuǎn)速試驗

常規(guī)的模型水輪機(jī)效率和飛逸轉(zhuǎn)速試驗都是在高空化系數(shù)下進(jìn)行的。雖然在高空化系數(shù)下進(jìn)行的模型水輪機(jī)效率和飛逸轉(zhuǎn)速試驗在工程上已經(jīng)具有足夠的精度，但由于在電站空化系數(shù)下進(jìn)行模型水輪機(jī)的效率和飛逸轉(zhuǎn)速試驗更能反應(yīng)原型水輪機(jī)的真實運行情況，且目前水輪機(jī)模型試驗臺的技術(shù)水平已完全具備在電站空化系數(shù)下進(jìn)行模型水輪機(jī)的效率和飛逸轉(zhuǎn)速試驗的能力，故而目前模型水輪機(jī)的全部效率試驗及飛逸試驗的若干關(guān)鍵特征點試驗都在目標(biāo)電站空化系數(shù)下進(jìn)行。

對于特定電站而言，在其電站空化系數(shù)下進(jìn)行模型水輪機(jī)的效率和飛逸轉(zhuǎn)速試驗不但保證了試驗資料的專有性，更重要的是模型試驗結(jié)果更接近于原型機(jī)的實際運行情況。這對模型試驗技術(shù)而言無疑是一項進(jìn)步。

4.3.2 考慮機(jī)組摩擦損失和風(fēng)損計算的模型水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速試驗

常規(guī)的模型水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速試驗通常采用內(nèi)插法來得出水輪機(jī)的飛逸特性。如果直接按照模型試驗的結(jié)果換算到原型機(jī)上，則由于沒有考慮原型機(jī)所受到的各種摩擦損失而使預(yù)期的原型機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速偏大，給發(fā)電機(jī)設(shè)計造成不必要的困難。

目前，在進(jìn)行模型水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速試驗時，特別是在最大飛逸轉(zhuǎn)速左右處，除進(jìn)行內(nèi)插法所必需的零力矩附近的常規(guī)測量外，還專門增加了力矩接近零處的測量點數(shù)，如圖 7所示。在換算到原型機(jī)時，按照模型試驗結(jié)果獲得的機(jī)組在飛逸轉(zhuǎn)速附近處的出力變化趨勢曲線與機(jī)組摩擦損失和風(fēng)損之和的曲線的交點處的飛逸轉(zhuǎn)速即為機(jī)組預(yù)期的飛逸轉(zhuǎn)速。按此方法獲得的機(jī)組預(yù)期的最大穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速為 n ′Rmax,P，較常規(guī)的換算方法降低了（nRmax,P- n′Rmax,P），如圖8所示。此方法從原理上講更趨合理，計算出的機(jī)組預(yù)期飛逸轉(zhuǎn)速更接近實際值。

圖7 飛逸轉(zhuǎn)速試驗曲線

圖8 考慮機(jī)組摩擦損失和風(fēng)損的原型水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速的確定

5 結(jié)語

作為水輪機(jī)研發(fā)重要手段的水輪機(jī)模型試驗技術(shù)是水輪機(jī)行業(yè)中發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一。近年來國內(nèi)各企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)的模型試驗技術(shù)不論是在試驗?zāi)芰?、研究范圍還是研究深度上都有了長足的進(jìn)步。原已居世界先進(jìn)水平的水輪機(jī)模型試驗技術(shù)又上了一個更高的臺階。

[1] IEC60193-1999（second edition）, Hydraulic turbines,storage pumps and pump-turbines-Model acceptance tests[S].

[2] 哈爾濱大電機(jī)研究所. 水輪機(jī)設(shè)計手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1976.

The Technology Research and Progress of Model Turbine Test in Recent Years

ZHAO Yue, LU Yan-guang, LI Hui, WU Ke-jun
（Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China）

Hydraulic turbine is a combination subject of theory analysis and test research. CFD is the major technology method, at the mean time, the world advanced hydro-power company and science research institute pay more attention to improve the ability of measurement technology and model test research. This test will introduce the technology research and progress of model test in recent years.

hydraulic turbine; model test；technology research; technology progress

TK730

B

1000-3983（2010）01-0041-05

2008-08-27

趙越（1967-），1988年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造工藝設(shè)備及自動化專業(yè)，一直從事水輪機(jī)模型及原型機(jī)測試工作，高級工程師。