劉文杰，秦坤濤，徐用良，王 磊（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)制動(dòng)工況下壓力脈動(dòng)的模型試驗(yàn)研究

劉文杰，秦坤濤，徐用良，王 磊
（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

本文對(duì)水泵水輪機(jī)模型裝置在水輪機(jī)制動(dòng)工況下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了不同導(dǎo)葉開度和不同測(cè)點(diǎn)位置，壓力脈動(dòng)信號(hào)在時(shí)域和頻域內(nèi)隨流量的變化規(guī)律。此外，對(duì)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了細(xì)致的分析，収現(xiàn)在導(dǎo)葉開度A0=20~40mm的范圍內(nèi)，該測(cè)點(diǎn)位置在小流量區(qū)域存在大小約0.5~0.7倍轉(zhuǎn)頻的特殊頻率，這種頻率能影響壓力脈動(dòng)的時(shí)頻特性。

水泵水輪機(jī)；水輪機(jī)制動(dòng)；壓力脈動(dòng)；模型試驗(yàn)

0 引言

1 模型裝置及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)研究是針對(duì)500m水頭段蓄能電站的混流可逆式水泵水輪機(jī)模型進(jìn)行的。水泵水輪機(jī)的模型轉(zhuǎn)輪直徑D2=275mm，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Z=9。水輪機(jī)工況最優(yōu)點(diǎn)為n11_opt=40.5r/min，q11_opt=0.563m3/s，水泵工況在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n=1000r/min下的最優(yōu)點(diǎn)為Q_opt=0.256m3/s，H_opt=34.99m。模型裝置的壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示，1為蝸殼進(jìn)口，2、3為導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前，4為頂蓋，5為固定導(dǎo)葉間，6、7為尾水錐管，8、9為尾水肘管。

模型試驗(yàn)在哈爾濱大電機(jī)研究所高水頭試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，模型試驗(yàn)導(dǎo)葉開口從A0=12mm~A0=36mm，導(dǎo)葉開度間隔為4mm。試驗(yàn)時(shí)定測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)水泵與閥門的大小來改變工況。試驗(yàn)從各導(dǎo)葉開度下的飛逸工況點(diǎn)開始，逐漸減小單位流量，直至接近零流量，涵蓋整個(gè)水輪機(jī)制動(dòng)工況。

模型試驗(yàn)采用美國某公司的動(dòng)態(tài)壓力傳感器和尼高力數(shù)據(jù)采集器，收集和記錄各工況下的壓力脈動(dòng)信號(hào)[4-6]。該公司動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其頻率響應(yīng)范圍能覆蓋被測(cè)信號(hào)的全部有用頻率。尼高力數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率設(shè)置為每通道2kHz，其A/D轉(zhuǎn)換器分辨率不小于16位，采樣時(shí)間設(shè)置為10s。采集的試驗(yàn)結(jié)果采用97%置信度分析得到時(shí)域的混頻幅值，用FFT分析得到頻域的主頻及其振幅。

圖1　壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)分布

2 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1時(shí)域混頻幅值

首先，對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域分析，得到不同測(cè)點(diǎn)位置和導(dǎo)葉開度下，壓力脈動(dòng)時(shí)域混頻幅值與流量的變化兲系。試驗(yàn)結(jié)果大致呈現(xiàn)出如下兩種變化規(guī)律。

第一種如圖2所示，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前兩測(cè)點(diǎn)為此變化規(guī)律。壓力脈動(dòng)幅值在各導(dǎo)葉開度下，層次分明，基本上無重疊或交叉；隨著流量的減小，壓力脈動(dòng)幅值整體上呈降低趨勢(shì)，但在接近零流量的小流量附近，存在幅值先增加再減小的特殊區(qū)域。

第二種如圖3所示，其他7個(gè)測(cè)點(diǎn)為此變化規(guī)律。壓力脈動(dòng)幅值隨導(dǎo)葉開度的增加，層次幵不分明，但整體上呈增大的趨勢(shì)；在同一導(dǎo)葉開度下，壓力脈動(dòng)幅值隨流量小幅震蕩減小。

此外，將水輪機(jī)制動(dòng)工況與水輪機(jī)正常運(yùn)行工況的壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)行比較，如圖4所示，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，縱坐標(biāo)為壓力脈動(dòng)混頻幅值，虛線曲線對(duì)應(yīng)水輪機(jī)正常運(yùn)行范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值最大的工況點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)曲線對(duì)應(yīng)水輪機(jī)制動(dòng)工況下壓力脈動(dòng)幅值最小的工況點(diǎn)（即本次試驗(yàn)中 A0=12mm接近零流量的工況點(diǎn)）。

記者從廣東海事局獲悉，11月22日，來自東盟的文萊、柬埔寨、馬來西亞、泰國、菲律賓、越南和南亞的孟加拉、巴基斯坦等多國學(xué)員齊聚佛山海事局，開展為期一天的區(qū)域非公約船舶安全管理現(xiàn)場交流學(xué)習(xí)活動(dòng)。

圖2　時(shí)域混頻幅值特性——導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前

圖3　時(shí)域混頻幅值特性——尾水管錐管

圖4　不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分布

從曲線的變化趨勢(shì)中可以看出，水輪機(jī)制動(dòng)工況與水輪機(jī)工況各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分布規(guī)律是一致的，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值最大，頂蓋壓力脈動(dòng)幅值次之，其他測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值偏小。水輪機(jī)制動(dòng)工況的最小壓力脈動(dòng)值仍大于水輪機(jī)正常運(yùn)行范圍的最大壓力脈動(dòng)值。

2.2導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的特殊頻率

由于導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的壓力脈動(dòng)混頻幅值，在小流量出現(xiàn)先增加后減小的特殊區(qū)域，我們對(duì)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了FFT分析，得到信號(hào)的前三個(gè)主頻及其幅值等頻域信息。從頻率信息中収現(xiàn)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動(dòng)信號(hào)的主頻除了葉片過流頻率外，還存在另外一種主頻，稱之為特殊頻率。特殊頻率的分布如圖5所示，從圖中可以看出特殊頻率的大小為0.5~0.7倍轉(zhuǎn)頻。

圖5　特殊頻率的分布

圖6　特殊頻率的幅值變化規(guī)律

圖7 各導(dǎo)葉開度下特殊頻率峰值的變化

圖6是特殊頻率的幅值變化規(guī)律。從圖中可以看出，特殊頻率對(duì)應(yīng)的幅值在小流量0.05m3~0.2m3范圍內(nèi)會(huì)先增加，達(dá)到峰值后，再逐漸減小回到初始值的大小，意味著特殊頻率對(duì)應(yīng)的能量先逐漸增加，達(dá)到峰值后，再逐漸減弱；在整個(gè)研究范圍內(nèi)，最高幅值約為初始幅值的7倍。圖7給出了各導(dǎo)葉開度下特殊頻率峰值隨導(dǎo)葉開度的變化規(guī)律，從圖中可以看出，各導(dǎo)葉開度下的峰值隨著開度的增加是先增大后減小，在導(dǎo)葉開度A0=28mm時(shí)達(dá)到極大值，這說明在此導(dǎo)葉開度下，存在能量最強(qiáng)的頻率。

2.3導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前時(shí)、頻域幅值的比較

信號(hào)時(shí)域內(nèi)的幅值為混頻幅值；頻域內(nèi)的幅值為分頻幅值。通過FFT分析，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前在頻域內(nèi)的主頻為葉片過流頻率和特殊頻率。將各導(dǎo)葉開度下混頻幅值與分頻幅值的變化規(guī)律進(jìn)行比較，可以得出如圖8~圖10的結(jié)果。圖中實(shí)線為混頻幅值隨流量的變化曲線，對(duì)應(yīng)于左側(cè)的坐標(biāo)；點(diǎn)虛線是葉片過流頻率的幅值隨流量的變化曲線，橫虛線是特殊頻率的幅值隨流量的變化曲線，對(duì)應(yīng)于右側(cè)的坐標(biāo)。

圖8 混頻幅值與分頻幅值比較——A0=12mm和16mm

圖8為小開度A0=12mm和16mm下，混頻幅值與分頻幅值的比較。從圖中可以看出，混頻幅值隨著流量的減小是逐漸變小的，沒有出現(xiàn)局部極大值。通過FFT分析可以収現(xiàn)，所有工況點(diǎn)的第一主頻均為葉片過流頻率，第二主頻頻均為葉片過流頻率的二倍頻，第三主頻的分布無明顯的規(guī)律，而且其幅值非常小。

圖9為導(dǎo)葉開度A0=20mm~32mm下，混頻幅值與分頻幅值變化規(guī)律的比較。混頻幅值在小流量出現(xiàn)先增加后減小的特殊區(qū)域，隨著導(dǎo)葉開度的增加，特殊區(qū)域的流量逐漸變小，范圍逐漸變寬；葉片過流頻率幅值始終變幅不大，比較平緩；特殊頻率幅值會(huì)先陡增再劇減，與混頻幅值的特殊區(qū)域?qū)?yīng)的流量范圍是相同的，在此范圍內(nèi)，特殊頻率幅值要高于葉片過流頻率的幅值，特殊頻率為信號(hào)的主頻率。

圖9　混頻幅值與分頻幅值比較(A0=20mm~A0=32mm)

進(jìn)而可以說明，混頻幅值的特殊區(qū)域是由特殊頻率引起的，當(dāng)特殊頻率的強(qiáng)度高于葉片過流頻率的強(qiáng)度時(shí)，混頻幅值會(huì)出現(xiàn)特殊的變化區(qū)域。

隨著導(dǎo)葉開度的進(jìn)一步增加，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的壓力脈動(dòng)信號(hào)在小流量的特殊區(qū)域明顯減弱，甚至消失。從圖10可以看出，在導(dǎo)葉開度為A0=40mm時(shí)，混頻幅值的特殊區(qū)域已基本消失。此時(shí)，葉片過流頻率的幅值的變化仍比較平穩(wěn)，特殊頻率的幅值雖然仍會(huì)先增再減，但其強(qiáng)度明顯低于葉片過流頻率。這也進(jìn)一步說明，混頻幅值的特殊區(qū)域是由特殊頻率引起的。

圖10　混頻幅值與分頻幅值比較——A0=40mm

3 結(jié)論

本文對(duì)水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)制動(dòng)工況下壓力脈動(dòng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，特別是對(duì)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了如下規(guī)律：

（1）對(duì)于導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前測(cè)點(diǎn)而言，除小導(dǎo)葉開度A0=12mm和A0=16mm外，其它導(dǎo)葉開度在小流量出現(xiàn)幅值先增加后減小的特殊區(qū)域；而其它測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值隨著流量的減小，整體上均會(huì)逐漸減小。

（2）跟水輪機(jī)工況相似，各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)變化規(guī)律是一致的，即無葉區(qū)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值是最大的，頂蓋次之。水輪機(jī)制動(dòng)工況下的壓力脈動(dòng)值遠(yuǎn)大于正常水輪機(jī)工況的。

（3）通過對(duì)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動(dòng)信號(hào)的頻率分析可知，所有工況點(diǎn)的前三主頻由如下三類頻率組成：葉片過流頻率，即 f/fn=9；葉片過流頻率的二倍頻即f/fn=18；特殊頻率或第三主頻，特殊主頻大小約為f/fn=0.5~0.7。

（4）從開度A0=20mm開始，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動(dòng)的混頻幅值在小流量出現(xiàn)先增加后減小的特殊區(qū)域，該區(qū)域的極大值所對(duì)應(yīng)的流量與特殊頻率幅值的峰值所對(duì)應(yīng)的流量是相同的；且隨著導(dǎo)葉開度進(jìn)一步增大，特殊頻率能量隨之減弱，混頻幅值的特殊區(qū)域也逐漸消失，可以說明導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前混頻幅值的特殊區(qū)域是由特殊頻率引起的。

（5）在較小的導(dǎo)葉開度（A0=16mm甚至更?。┫?，無特殊頻率存在，信號(hào)的主頻為葉片過流頻率；而在較大的導(dǎo)葉開度（大于A0=40mm）下，雖存在特殊頻率，但其強(qiáng)度已明顯弱；這也可以說明導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前混頻幅值的特殊區(qū)域是由特殊頻率引起的。

[1] 梅祖彥. 抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M]. 北京：水利水電出版社, 1993.

[2] 瞿倫富. 混流可逆式水泵-水輪機(jī)全工況壓力脈動(dòng)的研究[J]. 動(dòng)力工程, 1996,16(6): 58-64.

[3] 端潤生，混流可逆式水泵水輪機(jī)的全特性[J]. 水利水電技術(shù), 1982, (02): 34-40.

[4] 桂中華, 等. 混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)與振動(dòng)穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2014,(06): 61-65.

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[6] 趙越, 等. 近年來水輪機(jī)模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展[J].大電機(jī)技術(shù), 2010,(01): 41-45.

劉文杰（1985-），2009年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)從事水輪機(jī)測(cè)試工作，工程師。

審稿人：越越

Pressure Pulsation Model Test Investigation of Pump-Turbine on the Turbine-Brake Condition

LIU Wenjie, QIN Kuntao, XU Yongliang, Wang Lei
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin, 150040)

In the paper, it is researched on the pressure pulsation characteristic during turbine-brake operation of pump-turbine model installation by the model test method. Then the tendency of pressure pulsation in time domain and frequency domain along with discharge is obtained at different guide vane openings and different measuring points. Furthermore, the pressure pulsation signals of vaneless location were analyzed detailed. At the small discharge area of the location, we discover the special frequency which is about 0.5~0.7 times rotational frequency from A0=20mm to 40mm and can influence the time-domain and frequency-domain characteristic of pressure pulsation.

pump-turbine; turbine-brake; pressure fluctuation; model test

TK734

A

1000-3983(2016)03-0041-05

2015-04-23