王林

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310000）

混流式水輪機尾水管壓力脈動試驗分析

王林

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310000）

壓力脈動產(chǎn)生于機組運行過程的非定常流場，是引起水輪機組振動及不穩(wěn)定運行的主要水力振動源之一。其中，尾水管的螺旋狀渦帶是引起水力振動的最主要因素。本文通過對混流式水輪機模型試驗，研究了混流式水輪機尾水管內(nèi)壓力脈動與空化系數(shù)、泄水錐形狀及補氣量的相互關(guān)系。

混流式水輪機；尾水管壓力脈動；空化系數(shù)；泄水錐形狀；補氣量；模型試驗

1 概述

近年來，隨著水輪機單機容量及轉(zhuǎn)輪直徑的不斷增大，水輪機的水力振動等穩(wěn)定性方面的問題越來越突出。機組振動、軸系擺度和壓力脈動是表征水輪機組穩(wěn)定性的3個主要參數(shù)。水力振動作為影響水電機組安全穩(wěn)定運行的重要因素，是近年來國內(nèi)外研究的重點。研究表明，導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處的卡門渦、轉(zhuǎn)輪中的葉道渦和尾水渦帶產(chǎn)生的壓力脈動是引起水力振動的主要因素。

本文通過對混流式水輪機的模型試驗，研究了泄水錐形狀、空化系數(shù)及補氣等與尾水管壓力脈動的關(guān)系。

2 模型水輪機主要參數(shù)

模型水輪機主要參數(shù)：

模型試驗水頭：30 m；

模型水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1m：0.348 9 m；

模型轉(zhuǎn)輪出口直徑D2m：0.35 m。

模型水輪機尾水管測壓點布置示意圖見圖1。

3 壓力脈動影響因素試驗研究

3.1 壓力脈動與空化系數(shù)的關(guān)系

圖1 模型尾水管測壓點布置示意圖

σ—即空化系數(shù)，又分為臨界空化系數(shù)σc（與規(guī)定的能量下降值相聯(lián)系的空化系數(shù)，可取σ0或σ1，σ1為水輪機效率下降1%時的空化系數(shù)，σ0為水輪機效率開始下降時的空化系數(shù)，為方便觀察，模型試驗中常取σ1）、初生空化系數(shù)σi（目測觀察到轉(zhuǎn)輪三個葉片同時產(chǎn)生氣泡時的空化系數(shù)）及電站空化系數(shù)σp等，其關(guān)系為：σ1≤σc≤σ0＜σi＜σp。

Pa/γ—當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γ琍a/γ=10.33-/900，m—當(dāng)?shù)睾０胃叱?，m。

Pν/γ—當(dāng)時水溫下的飽和氣化壓力，隨溫度升高而增大。

當(dāng)t=20℃時，Pν/γ≈0.24 m。

Hs—吸出高度，即空化基準(zhǔn)面與尾水位的高差，m。對混流式水輪機，空化基準(zhǔn)面即導(dǎo)水機構(gòu)中心線所在平面。

H—水頭，m

則公式（1）可簡化為：

公式（2）即為工程中常用的空化系數(shù)計算公式。從（2）可以看出，當(dāng)水頭H不變時，空化系數(shù)σ是僅與吸出高度Hs線性相關(guān)。在模型試驗時，通過改變吸出高度Hs計算臨界空化系數(shù)σc。

將模型機固定在某一工況不變（即保持模型機水頭Hm，單位轉(zhuǎn)速n11，導(dǎo)葉開度a0不變），通過改變吸出高度，即可測得空化系數(shù)與尾水管壓力脈動的變化。試驗結(jié)果圖2所示。

3.2 壓力脈動與泄水錐幾何形狀的關(guān)系

對模型轉(zhuǎn)輪帶原型泄水錐和加長型泄水錐2種結(jié)構(gòu)進行對比試驗。轉(zhuǎn)輪泄水錐結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖3和圖4所示。

針對真機的最小水頭，額定水頭，中間水頭（發(fā)最大出力的最小水頭）以及最大水頭4種工況，共進行了n11=91.5 rpm，83.2 rpm，80.9 rpm及74.4 rpm 4個單位轉(zhuǎn)速下的壓力脈動試驗。不同泄水錐形狀壓力脈動試驗結(jié)果如下頁圖5所示。

3.3 壓力脈動與補氣量的關(guān)系

模型試驗時，保持導(dǎo)葉開度和水頭不變，通過短管向尾水管中注入一定量的壓縮空氣，測量尾水管壓力脈動的變化。壓力脈動與補氣量的關(guān)系曲線如圖6所示。

4 結(jié)論

通過模型試驗，針對上述測量結(jié)果，可以得到以下一些結(jié)論：

圖2 尾水管壓力脈動與空化系數(shù)關(guān)系曲線示意圖

圖3 帶原形泄水錐的模型轉(zhuǎn)輪示意圖

圖4 帶加長泄水錐的模型轉(zhuǎn)輪示意圖

圖5 不同工況下尾水管壓力脈動與泄水錐形狀關(guān)系曲線示意圖

（1）當(dāng)水輪機單位轉(zhuǎn)速較高時（相當(dāng)于水輪機低水頭運行工況），尾水管壓力脈動在不同空化系數(shù)下均有較大波動，說明此時空化系數(shù)對壓力脈動的影響不大。當(dāng)單位轉(zhuǎn)速降低（即水頭升高），隨著空化系數(shù)的增大，壓力脈動呈逐步減小的趨勢，當(dāng)空化系數(shù)大于某個值時（不同水頭下不一致），壓力脈動基本穩(wěn)定在一個較低的數(shù)值。由此即可計算出不同水頭下的最小吸出高度Hs。

圖6 尾水管壓力脈動與補氣量關(guān)系曲線示意圖

（2）在部分負荷（小流量）時，尾水管會產(chǎn)生較大的壓力脈動，在滿負荷或超負荷時，壓力脈動會保持在一個較低的水平。長泄水錐可有效降低部分負荷下尾水管的壓力脈動的峰值（最大值）。但并不是所有工況下都能降低壓力脈動。同樣在部分負荷工況時（偏離壓力脈動最大值的區(qū)域），長泄水錐反而會加劇尾水管壓力脈動。

（3）在低水頭小開度的工況下，補氣能有效的降低尾水管的壓力脈動。當(dāng)水頭升高或?qū)~開度增大時，補氣的效果已不明顯，某些工況下，甚至?xí)觿∥菜艿膲毫γ}動。

綜上所述，對混流式水輪機組的防振和減振，主要是消除或減弱尾水管中螺旋狀渦帶引起的壓力脈動。目前工程上常用的減振措施：一是改變泄水錐形狀；二是選擇合理的吸出高度（即選擇適當(dāng)?shù)目栈禂?shù)）；三是補氣。另外還有一些措施，如在尾水管中加裝導(dǎo)流板，或在尾水管中加裝同軸圓管等，這些措施雖然能降低尾水管的最大壓力脈動，但由于破壞了尾水管中的流態(tài)，會降低水輪機在某些工況下的效率，且會使尾水管空化加劇，只能作為備用措施，其他措施無效或效果不大時采用。對一些劇烈振動的區(qū)域，若無法有效降低壓力脈動，必須避免在此工況運行，防止損壞設(shè)備或造成安全事故。

TV131

A

1672-5387（2016）07-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.002

2016-04-17

王 林（1979-），男，工程師，從事水輪機設(shè)計工作。