盧　池，陳梁年，姚　丹

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

燈泡式水輪機非協(xié)聯(lián)工況下空化性能的試驗研究

盧池，陳梁年，姚丹

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

摘要：以某比轉(zhuǎn)速燈泡式水輪機為例，利用模型試驗的方法對其協(xié)聯(lián)工況和非協(xié)聯(lián)工況的空化性能進行了研究，通過試驗結(jié)果的對比和分析，得出如下規(guī)律：在整個運行范圍內(nèi)水頭不變的情況下，燈泡式水輪機在某一固定轉(zhuǎn)輪葉片角度運行時，無論模型水輪機是處于協(xié)聯(lián)工況還是非協(xié)聯(lián)工況，其臨界空化系數(shù)（?0）隨著流量因數(shù)（?ED）的增大而增大。本研究結(jié)果對原型燈泡式水輪機的運行，特別是非協(xié)聯(lián)工況下的運行，具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：空化系數(shù)；燈泡式水輪機；模型試驗；非協(xié)聯(lián)工況；空化性能

1　前言

貫流式水輪機自20世紀30年代問世以來，因其具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、淹沒移民少等優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟特點而得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。燈泡貫流式水輪機（簡稱：燈泡式水輪機）作為應(yīng)用最為廣泛的一種貫流式水輪機，人們對其進行了比較深入的研究，并取得顯著成果。

水輪機運行過程中，當轉(zhuǎn)輪葉片最低壓力點的壓力等于或低于當時溫度下水的汽化壓力時，便發(fā)生空化。為了對水力機械運行過程中的空化情況進行描述，引入了空化系數(shù)這個無量綱術(shù)語，它被表示為凈正吸入比能NPSE與比能E的比值。無論是在水輪機模型試驗，還是在電站實際運行中，空化系數(shù)都扮演著重要角色，對水輪機各方面性能有著重要影響。

對于燈泡式水輪機，通常僅在協(xié)聯(lián)工況下對其空化性能進行測試，而對非協(xié)聯(lián)工況下空化性能的研究比較少。本文將以某比轉(zhuǎn)速燈泡式水輪機為例，通過模型試驗的方法，對其非協(xié)聯(lián)工況下的空化性能進行研究。

2　水輪機的空化性能

對水輪機空化性能的研究，是一個循序漸進的過程，隨著對該問題研究的深入，先后提出了臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)的概念。

關(guān)于臨界空化系數(shù)，國家標準GB/T2900.45-2006《電工術(shù)語 水電站水力機械設(shè)備》中的定義為：“在模型空化試驗中用能量法確定的臨界狀態(tài)的空化系數(shù)”；國家標準GB/T 15613.1-2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》中的定義為“與所規(guī)定的空化開始狀態(tài)有關(guān)的空化系數(shù)，例如規(guī)定能量下降值”。在模型試驗時，因選取的能量（通常為效率）下降值不同，就有了效率下降1%時的1和效率剛開始下降的0等等。由此可見，臨界空化系數(shù)直接反映的是水輪機能量方面的變化，和空化氣泡的多少等沒有直接關(guān)系。

關(guān)于初生空化系數(shù)，國家標準 GB/T 2900.45-2006《電工術(shù)語 水電站水力機械設(shè)備》中的定義為：“轉(zhuǎn)輪葉片開始出現(xiàn)空泡時的空化系數(shù)”；國家標準GB/T 15613.1-2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》中的定義為“轉(zhuǎn)輪/葉片可見空化現(xiàn)象開始時的空化系數(shù)，通常由觀察得到，三個葉片出現(xiàn)氣泡”?？梢?，初生空化系數(shù)直接反映的是水輪機在低壓條件下開始出現(xiàn)空化現(xiàn)象時的空化系數(shù)，并不直接反映其效率等能量指標的變化情況。

根據(jù)臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)的定義，可以清楚的認識到這兩個空化系數(shù)的判定依據(jù)不同，前者是根據(jù)“能量”指標，后者是根據(jù)“氣泡”是否發(fā)生。雖然兩者的判定依據(jù)不同，反映水輪機空化性能的側(cè)重點不同，但是二者之間仍然是有關(guān)聯(lián)的，隨著轉(zhuǎn)輪內(nèi)部空化氣泡的形成、發(fā)展，對水輪機的效率、功率、流量等造成了一定的影響，不過這種關(guān)聯(lián)是一種不確定的聯(lián)系，因轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計（包括翼型設(shè)計）、水輪機運行工況而異。

關(guān)于電站空化系數(shù)，國家標準GB/T2900.45-2006《電工術(shù)語 水電站水力機械設(shè)備》中的定義為：“在電站運行條件下的空化系數(shù)”；國家標準GB/T 15613.1-2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》中的定義為“原型在運行條件下的空化系數(shù)”。可見，電站空化系數(shù)反映的是原型水輪機運行過程中所處的某種狀態(tài)，其值隨著運行條件的變化而變化。

在水輪機運行時，當電站空化系數(shù)小于初生空化系數(shù)時，水輪機將發(fā)生空化現(xiàn)象；當電站空化系數(shù)小于臨界空化系數(shù)時，隨著空化的發(fā)生、發(fā)展，水輪機將出現(xiàn)效率下降，甚至機組振動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，在水輪機整個運行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)在任何運行條件下均需大于其所對應(yīng)的臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)，并具有一定的安全余量。

燈泡式水輪機的空化系數(shù)不僅影響其水力性能，而且對其力特性也有著很大的影響，關(guān)于這些影響已有不少人對其進行研究，并取得了顯著成果，本文將不再贅述。

3　試驗方法

對于燈泡式水輪機的空化試驗，需在水輪機整個運行范圍內(nèi)，根據(jù)可能出現(xiàn)的水頭、尾水位及負荷的變化情況，測出給定的每個運行條件下相對應(yīng)的臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)。同時，計算出相應(yīng)條件下電站空化系數(shù)與臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)的比值，以驗證其空化性能是否滿足要求。

在進行空化試驗時，保持模型試驗水頭和轉(zhuǎn)速不變，采取逐步降低尾水壓力的方法來逐漸降低空化系數(shù)，在此過程中，對不同空化系數(shù)下的模型效率（hM）、流量因數(shù)（ED）、功率因數(shù)（ED）等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集。同時，利用閃頻裝置對模型轉(zhuǎn)輪葉片上的空化現(xiàn)象進行觀察，并通過拍照和繪制草圖的方式將其記錄下來。

本研究的相關(guān)試驗均在東芝水電水力機械模型試驗臺上完成，該試驗臺于2011年10月份通過了由中國電機工程學(xué)會和中國水力發(fā)電工程學(xué)會組織的技術(shù)鑒定，鑒定委員會一致認為該項目成果達到國際先進水平，可以作為開發(fā)、驗證混流式、軸流式、貫流式水輪機模型性能的通用試驗裝置。

4　試驗結(jié)果及分析

以某比轉(zhuǎn)速燈泡式模型水輪機為例，選取5個典型轉(zhuǎn)速因數(shù)，在每個轉(zhuǎn)速因數(shù)下選擇1個協(xié)聯(lián)工況點和2個非協(xié)聯(lián)工況點，共計15個工況點進行相關(guān)的試驗研究。

4.1不同工況下空化試驗結(jié)果

選取的15個工況點，如表1所示。在各工況下進行空化試驗，通過對這些工況點試驗結(jié)果的整理，選取效率剛開始下降時的臨界空化狀態(tài)作為重點研究對象，并對之進行分析。各工況臨界空化狀態(tài)下的參數(shù)值，見表1。

表1　空化試驗工況點及臨界空化狀態(tài)下的參數(shù)值

4.2不同工況下試驗結(jié)果的對比及分析

在相同的轉(zhuǎn)速因數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片角度下，對其協(xié)聯(lián)工況和非協(xié)聯(lián)工況的臨界空化狀態(tài)進行對比，結(jié)果如圖1～圖5所示。

從圖1～圖5中不同工況臨界空化系數(shù)的對比（實線）可以看出，在轉(zhuǎn)速因數(shù)（ED）和轉(zhuǎn)輪葉片角度（）一定時，無論模型水輪機是處于協(xié)聯(lián)工況還是非協(xié)聯(lián)工況，其臨界空化系數(shù)（0）都是隨著流量因數(shù)（ED）的增大而增大。模型水輪機運行過程中，在其轉(zhuǎn)速因數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片角度不變的情況下，這一規(guī)律均適用。另外，從總體上來說模型水輪機所處的非協(xié)聯(lián)工況偏離協(xié)聯(lián)工況點越遠，其臨界空化系數(shù)和協(xié)聯(lián)工況時的值相比，偏差也就越大。

由于模型水輪機的轉(zhuǎn)速因數(shù)和原型水輪機的水頭相對應(yīng)，也就是說在整個運行范圍內(nèi)的任一水頭下，燈泡式水輪機在某一固定轉(zhuǎn)輪葉片角度運行時，其小流量非協(xié)聯(lián)工況下的臨界空化系數(shù)最小，協(xié)聯(lián)工況下的臨界空化系數(shù)次之，大流量非協(xié)聯(lián)工況下的臨界空化系最大，即小流量非協(xié)聯(lián)工況下不易發(fā)生臨界空化現(xiàn)象。

從圖1～圖5中不同工況臨界空化狀態(tài)下效率的對比（虛線）可以看出，在其協(xié)聯(lián)工況時，模型水輪機效率（hM）最高，無論是在小流量非協(xié)聯(lián)工況下，還是大流量非協(xié)聯(lián)工況下，其效率均出現(xiàn)嚴重下降的現(xiàn)象。并且，從總體上來說偏離協(xié)聯(lián)工況點越遠，其效率的下降值越大，這和水輪機實際運行情況也是吻合的。

圖1　工況1、工況2、工況3臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖2　工況4、工況5、工況6臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖3　工況7、工況8、工況9臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖4　工況10、工況11、工況12臨界空化狀態(tài)下性能對比

圖5　工況13、工況14、工況15臨界空化狀態(tài)下性能對比

5　結(jié)束語

在電站實際運行中，轉(zhuǎn)輪葉片可調(diào)式水輪機組通常均要求其在協(xié)聯(lián)工況下運行，但是，由于某些特殊原因或條件限制，如果需要機組在非協(xié)聯(lián)工況下運行，對于燈泡式水輪機可以采用下述方法：在轉(zhuǎn)輪葉片角度不變的情況下，適當減小導(dǎo)葉開度（或者在調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片角度和導(dǎo)葉開度的過程中，始終使導(dǎo)葉開度小于該水頭下轉(zhuǎn)輪葉片角度所對應(yīng)的協(xié)聯(lián)狀態(tài)時的導(dǎo)葉開度），即機組一直處于小流量非協(xié)聯(lián)工況下運行。此時，臨界空化系數(shù)相對較小，水輪機在此狀態(tài)下運行，不易發(fā)生臨界空化現(xiàn)象，可以減少由于空化的發(fā)生、發(fā)展而引起的機組振動等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而確保水輪機的安全、穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]盧池，陳梁年，姚丹.空化系數(shù)對燈泡式水輪機力特性影響的試驗研究[C]//中國動力工程學(xué)會水輪機專業(yè)委員會.第十九次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，2013：394-398.

[2]盧池，陳梁年，大竹典男.東芝水電水力機械通用試驗臺的特點[J].大電機技術(shù)，2012（4）：47-50.

[3]盧池，楊昌明，陳次昌，等.水輪機空化系數(shù)的動態(tài)測定[J].西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，25(1)：50-51.

[4]盧池.流體機械內(nèi)部空化流動的數(shù)值模擬[D].成都：西華大學(xué)，2006.

[5]GB/T 2900.45-2006電工術(shù)語 水電站水力機械設(shè)備[S].北京：中國標準出版社，2006.

[6]GB/T 15613.1-2008水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗[S].北京：中國標準出版社，2008.

中圖分類號：TK730.7

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0004-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.002

收稿日期：2015-01-07

作者簡介：盧池（1982-），男，高級工程師，從事水輪機模型試驗和水力性能開發(fā)方面的研究工作。