王建新，何旭輝，袁世鐸

（五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 沅陵 419642）

1 前言

五強(qiáng)溪水電站位于沅水干流中下游，湖南沅陵縣境內(nèi)，上游距沅陵縣城73 km，下游距常德市130 km。電站以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)等綜合效益的樞紐工程。五強(qiáng)溪電站現(xiàn)裝機(jī)1 200 MW(5×240 MW)，保證出力262.7 MW，多年平均發(fā)電量53.29億kW·h，年利用小時數(shù)4 441 h，水量利用率80.94%。五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程為岸邊式廠房，總裝機(jī)500 MW，裝機(jī)2臺，年利用小時數(shù)為1 117 h，多年平均年發(fā)電量為5.583億kW·h。

本次水輪機(jī)模型復(fù)核試驗在中國水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)械實驗室TP3試驗臺上進(jìn)行，本次模型試驗的目的是：通過模型復(fù)核試驗，驗證設(shè)備廠家提出的模型試驗報告成果的真實性，試驗內(nèi)容包括模型的各種特性的抽查復(fù)核和對比，重點(diǎn)是水力穩(wěn)定性。通過開展水輪機(jī)模型同臺復(fù)核試驗，對比模型試驗資料預(yù)測原型機(jī)組的穩(wěn)定性，掌握水輪機(jī)組主要水力性能及其穩(wěn)定性狀況，合理劃分機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，其經(jīng)濟(jì)和社會效益巨大。五強(qiáng)溪電站擴(kuò)機(jī)水輪機(jī)模型復(fù)核試驗主要包括：

對復(fù)核試驗時所采用的儀器進(jìn)行標(biāo)定；

出力及效率試驗；

空化試驗；

壓力脈動試驗；

葉道渦和卡門渦觀察試驗；

非遺轉(zhuǎn)速試驗。

2 五強(qiáng)溪電站擴(kuò)機(jī)水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

2.1 五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)機(jī)組運(yùn)行條件

上游校核洪水位(P=0.1%） 114.53 m

上游設(shè)計洪水位(P=0.5%) 111.14 m

上游正常蓄水位 108.00 m

上游死水位 90.00 m

下游設(shè)計洪水位(P=0.5%) 74.61 m

下游校核洪水位(P=0.1%) 76.25 m

最大水頭 58.90 m

最小水頭 33.70 m

加權(quán)平均水頭 46.73 m

額定水頭 43.50 m

多年平均水溫 18.00 ℃

多年平均氣溫 16.70 ℃

水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速 68.2 r/min

水輪機(jī)安裝高程 49.00 m

水輪機(jī)額定出力 255.1 MW

電站所在地重力加速度 9.792 145 m/s2

2.2 五強(qiáng)溪電站水輪機(jī)模型復(fù)核試驗參數(shù)對照表

表1 五強(qiáng)溪電站水輪機(jī)模型復(fù)核試驗參數(shù)對照表

2.3 模型水輪機(jī)

2.3.1 模型水輪機(jī)概述

設(shè)備廠家針對湖南五強(qiáng)溪電站擴(kuò)機(jī)工程開發(fā)的模型水輪機(jī)（型號為A1563）包括蝸殼、座環(huán)、頂蓋、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、底環(huán)和尾水管等部件，其材料為金屬材料，其中尾水錐管采用了透明有機(jī)玻璃制造，可以對轉(zhuǎn)輪出口區(qū)及尾水錐管區(qū)的流態(tài)進(jìn)行直接觀察。模型從蝸殼進(jìn)口處延伸至尾水管末端與水輪機(jī)真機(jī)相似。

2.3.2 模型水輪機(jī)流道尺寸

表2 模型水輪機(jī)流道尺寸表

2.3.3 原模型水輪機(jī)主要控制尺寸

表3 原模型水輪機(jī)主要控制尺寸表

3 復(fù)核試驗結(jié)果

3.1 出力及效率試驗

3.1.1 模型最優(yōu)效率試驗

試驗水頭：H≥25 m；通過調(diào)整活動導(dǎo)葉開度和水輪機(jī)模型試驗轉(zhuǎn)速進(jìn)行水輪機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)的復(fù)核試驗，最優(yōu)效率點(diǎn)復(fù)核試驗在能量工況下進(jìn)行。

試驗水頭為25 m，模型轉(zhuǎn)輪直徑D2m=0.374 37 m，模型試驗水溫在12℃～30℃之間。因此，試驗水溫下水的最大運(yùn)動粘性系數(shù)：

因此，模型雷諾數(shù)ReuM*為：

原型水輪機(jī)效率按兩步法換算，最優(yōu)效率點(diǎn)復(fù)核試驗結(jié)果見表4。表中給出的復(fù)核試驗?zāi)Ｐ托手稻鶠閾Q算到標(biāo)準(zhǔn)雷諾數(shù)下的值，原型效率均采用兩步法換算，后表同。報告中兩步法換算用D2，單位參數(shù)換算用D1。

表4 最優(yōu)效率點(diǎn)復(fù)核試驗結(jié)果

3.1.2 水輪機(jī)加權(quán)因子點(diǎn)效率試驗

試驗水頭：H≥25 m，空化系數(shù)：σ=σp；電站空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線；水輪機(jī)加權(quán)因子的效率復(fù)核試驗在電站空化系數(shù)下進(jìn)行，在每一代表電站運(yùn)行特征水頭下通過調(diào)整活動導(dǎo)葉開度復(fù)核各水輪機(jī)出力下的效率。

水輪機(jī)加權(quán)因子的效率投標(biāo)值復(fù)核試驗結(jié)果見表5，因數(shù)據(jù)較多，本文僅選取33.7 m、43.5 m、58.9 m 3個特征水頭復(fù)核試驗數(shù)據(jù)。

表5 水輪機(jī)加權(quán)因子的效率復(fù)核試驗結(jié)果

通過計算水輪機(jī)工況加權(quán)平均效率，與設(shè)備廠家試驗數(shù)值的比較見表6。

表6 水輪機(jī)加權(quán)平均效率與設(shè)備廠家試驗數(shù)值比較

3.1.3 水輪機(jī)出力試驗

試驗水頭：H≥25 m；空化系數(shù)：σ=σp；電站空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線；

在額定轉(zhuǎn)速條件下，對保證原型水輪機(jī)出力的設(shè)備廠家試驗值進(jìn)行復(fù)核，數(shù)據(jù)結(jié)果見表7。

表7 水輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下，保證原型水輪機(jī)出力復(fù)核試驗結(jié)果

復(fù)核試驗結(jié)果表明，復(fù)核試驗與設(shè)備廠家試驗結(jié)果吻合，最優(yōu)點(diǎn)效率與加權(quán)平均效率復(fù)核實驗結(jié)果均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗結(jié)果。

3.2 空化試驗

進(jìn)行初生空化系數(shù)及臨界空化系數(shù)試驗，在電站空化系數(shù)下對轉(zhuǎn)輪葉片空化、葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化的初生線與發(fā)展進(jìn)行觀測、拍照或錄像，試驗前應(yīng)對前一天的試驗結(jié)果進(jìn)行部分復(fù)核；電站空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線。試驗水頭：H≥25 m；水中空氣含量滿足IEC要求；空化試驗內(nèi)容見表8，復(fù)核試驗結(jié)果見表9；葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化初生線觀察，見表10和表11。

（1）初生空化系數(shù)σi的定義為隨著尾水管的真空度的增加，在三個轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時所對應(yīng)的空化系數(shù)。臨界空化系數(shù)σc值采用σ1，σ1指與無空蝕工況效率相比，效率降低1%時的空化系數(shù)。

（2）葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化初生線的判定準(zhǔn)則：根據(jù)在復(fù)核試驗時，通過內(nèi)窺鏡在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處觀察轉(zhuǎn)輪葉片上出現(xiàn)目測可見氣泡來確定。

（3）在初生空化系數(shù)、電站空化系數(shù)及臨界空化系數(shù)下進(jìn)行觀測和圖像記錄。

復(fù)核試驗數(shù)據(jù)見表8，典型點(diǎn)照片見表9。

表8 空化復(fù)核試驗結(jié)果與設(shè)備廠家試驗值的比較

表9 部分典型工況對應(yīng)圖像

復(fù)核試驗結(jié)果表明，在電站全部正常運(yùn)行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)σp與臨界空化系數(shù)σ1的比值k1、電站空化系數(shù)σp與初生空化系數(shù)σi比值安全裕量ki均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗值。

3.3 壓力脈動試驗

壓力脈動復(fù)核試驗，在電站空化系數(shù)下進(jìn)行，空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線，測定與水流不穩(wěn)定或尾水管渦帶有關(guān)的蝸殼、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間、頂蓋與轉(zhuǎn)輪上冠之間及尾水管的壓力脈動的幅值和頻率，測壓孔布置應(yīng)位于能測量壓力脈動最大幅值的位置。

壓力脈動復(fù)核試驗在不補(bǔ)氣的條件下進(jìn)行，試驗內(nèi)容包括不同水頭不同負(fù)荷壓力脈動試驗。試驗數(shù)據(jù)采用FFT分析軟件進(jìn)行幅頻特性分析，試驗結(jié)果給出各測點(diǎn)的時域圖、頻域圖及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表格。

復(fù)核詳情見表10、表11。

表10 尾水管壓力脈動混頻雙振幅投標(biāo)值復(fù)核試驗結(jié)果（±Y0.3D2）

表11 導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前區(qū)域壓力脈動混頻雙振幅投標(biāo)值復(fù)核試驗結(jié)果

復(fù)核試驗表明，在整個運(yùn)行范圍，壓力脈動的幅值滿足要求，在整個運(yùn)行區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)高部分負(fù)荷壓力脈動。空化系數(shù)壓力脈動試驗結(jié)果表明空化系數(shù)的變化對壓力脈動幅值影響不大，在33.70 m～58.90 m運(yùn)行水頭條件下，水輪機(jī)能夠在空載以及45%～100%出力范圍內(nèi)連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 葉道渦和卡門渦觀察試驗

通過目測觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口側(cè)同時在3個轉(zhuǎn)輪葉道間開始出現(xiàn)的渦流，并根據(jù)觀測結(jié)果在水頭和出力關(guān)系圖中繪制出口側(cè)葉道渦初生線。

通過目測觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口側(cè)的發(fā)展葉道渦（所有流道同時出現(xiàn)），并根據(jù)觀測結(jié)果在水頭和出力關(guān)系圖中繪制出口側(cè)葉道渦發(fā)展線,詳見表12。

表12 葉道渦初生和發(fā)展線復(fù)核試驗結(jié)果

通過目測觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口邊可見卡門渦現(xiàn)象，并根據(jù)觀測結(jié)果在水頭和出力關(guān)系圖中繪制可見卡門渦發(fā)生線，詳見表13。

表13 可見卡門渦范圍

3.5 飛逸轉(zhuǎn)速試驗

試驗在能量工況下進(jìn)行，試驗水頭：H≥10 m，復(fù)核情況見表14。

表14 飛逸轉(zhuǎn)速復(fù)核試驗結(jié)果

復(fù)核試驗表明，試驗結(jié)論與設(shè)備廠家試驗試驗結(jié)果吻合。在100%導(dǎo)葉開度時單位飛逸轉(zhuǎn)速與換算到最大水頭時飛逸轉(zhuǎn)速均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗結(jié)果。

4 復(fù)核試驗小結(jié)

通過在第三方中立試驗臺進(jìn)行五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)工程水輪機(jī)模型復(fù)核試驗，驗證設(shè)備廠家提出的模型試驗報告成果的真實性，可信度高。復(fù)核試驗表明A1563模型水輪機(jī)最優(yōu)效率、加權(quán)平均效率均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗數(shù)值，滿足合同文件中相應(yīng)要求；在額定水頭43.5 m、額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min時，水輪機(jī)工況額定出力達(dá)到255.1 MW，滿足合同文件相應(yīng)要求；A1563模型水輪機(jī)在規(guī)定的水頭范圍內(nèi)有較高的效率，且效率曲線變化平緩，在正常運(yùn)行范圍內(nèi)可長期連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行；A1563 模型水輪機(jī)空化性能滿足合同文件要求，空化性能優(yōu)異，具有較大的空化安全裕度；在整個運(yùn)行范圍，A1563 模型水輪機(jī)壓力脈動幅值滿足合同文件要求，在整個運(yùn)行區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)高部分負(fù)荷壓力脈動，電站不同空化系數(shù)對壓力脈動幅值影響不大；在額定開度下，換算至最大水頭下對應(yīng)飛逸轉(zhuǎn)速優(yōu)于設(shè)備廠家試驗數(shù)值，兩者均優(yōu)于合同要求；流態(tài)觀測方面，在電站運(yùn)行范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)水邊正、背面脫流及可見卡門渦現(xiàn)象[1]。

綜上分析，A1563模型水輪機(jī)綜合性能優(yōu)良，具有良好的效率、出力、空化、飛逸和穩(wěn)定性性能，各項性能指標(biāo)均滿足五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程水輪機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求。