李 瑤，馬智杰，2，3，孫博志

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072；3.華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

0 引 言

大力開發(fā)可再生能源是我國能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。未來能源架構(gòu)將以風(fēng)光可再生能源為主，要維持電網(wǎng)穩(wěn)定，大規(guī)模的靈活調(diào)節(jié)電源必不可少。抽水蓄能電站運(yùn)行可靠、應(yīng)用規(guī)模大，是到現(xiàn)在為止公認(rèn)的最成熟、最經(jīng)濟(jì)、容量最大的儲(chǔ)能方式，為維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定做出了巨大貢獻(xiàn)，在調(diào)峰填谷以及提供和吸收新的儲(chǔ)能方面發(fā)揮了綜合作用[1-2]。截至2022年底我國可再生能源的發(fā)展情況如圖1所示，可見風(fēng)電加光伏能源的總裝機(jī)容量占比已增至63%，發(fā)電占比增至44%，其發(fā)展勢(shì)頭較為迅猛，為加快我國抽水蓄能電站建設(shè)奠定了一定的工程背景。

圖1 截至2022年底我國可再生能源發(fā)展情況

電站中的水力發(fā)電機(jī)組根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)可分為常規(guī)定速機(jī)組和變速機(jī)組。變速機(jī)組又分為變級(jí)調(diào)速和連續(xù)調(diào)速。與定速機(jī)組的外部特性相比，變速機(jī)組可以更充分地利用其輸出能力，改變機(jī)組轉(zhuǎn)速，改善轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)，以提高偏心工況下的運(yùn)行效率。在調(diào)節(jié)特性方面，變速機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)快速的功率跟蹤，并突出響應(yīng)靈活性。為了提高水電機(jī)組的調(diào)控能力，發(fā)達(dá)國家大力推動(dòng)變速恒頻抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展[3]。日本為變速水電機(jī)組建設(shè)與發(fā)展大國，截至2020年，投產(chǎn)運(yùn)行變速機(jī)組容量已接近2 200 MV·A[4]。歐洲中德國瑞士法國等對(duì)變速水電技術(shù)開展的研究也較為成熟，近年投運(yùn)進(jìn)程較快[5]。我國的變速恒頻抽水蓄能技術(shù)起步較晚，與國外還有一定差距。我國的豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，是世界上裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站，其兩臺(tái)變速機(jī)組為中國首次建設(shè)的大型交流勵(lì)磁變速抽水蓄能機(jī)組。國際上采用全功率變頻變速可逆式抽水蓄能機(jī)組的電站僅有1個(gè)改造項(xiàng)目，為瑞士的Grimsel 2號(hào)電站，它將原有的1臺(tái)90 MW定速機(jī)組改裝為100 MW 的全功率變頻變速抽水蓄能機(jī)組，在水泵功率連續(xù)變化方面取得了良好的效果[6]。

變速機(jī)組轉(zhuǎn)速可調(diào)的特性使其在維持偏工況運(yùn)行穩(wěn)定性以及機(jī)組效率等方面都有很大作用。例如，周喜軍等[7]發(fā)現(xiàn)事故甩負(fù)荷時(shí)，當(dāng)初始轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)增加，變速機(jī)組的最高轉(zhuǎn)速不會(huì)顯著上升。Valavi等[8]認(rèn)為，變速操作對(duì)維持水輪機(jī)效率有很大幫助，即使水頭和輸出發(fā)生變化，水輪機(jī)運(yùn)行在其他偏工況下，水輪機(jī)的效率仍然可以保持在較高水平。隨著可變可再生能源在電網(wǎng)中的日益普及，這些研究成果為水電機(jī)組的變速運(yùn)行提供了參考。

壓力脈動(dòng)是由轉(zhuǎn)輪、葉片以及其他部件之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干擾引起的一種壓力波動(dòng)現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)和疲勞失效，甚至引起廠房的振動(dòng)，極大地影響電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[9]。Trivedi等[10-11]研究了混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化過程中不同區(qū)域的壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，得出過渡過程中動(dòng)靜干涉的幅值很小，但在過渡周期結(jié)束時(shí)，幅值會(huì)迅速增大的結(jié)論；此外，在無葉區(qū)和轉(zhuǎn)輪中，壓力脈動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增大而增大。王彤彤等[12]研究發(fā)現(xiàn)，變速運(yùn)行模式可以減弱(甚至消除)尾水管渦帶；在最佳轉(zhuǎn)速下，效率得到提升，機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性也得到提高。此外，變速運(yùn)行模式還可以提高水輪機(jī)的效率，降低能耗，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。因此，采用變速運(yùn)行模式是優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)和提高機(jī)組運(yùn)行效率的有效途徑之一。

目前水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)的研究方法主要有傳統(tǒng)的理論分析方法、試驗(yàn)研究方法與數(shù)值模擬方法。試驗(yàn)研究方法多為物理模型試驗(yàn)[13-14]，數(shù)值模擬研究[15-16]水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的主要工具是ANSYS軟件。

本文對(duì)水泵水輪機(jī)真機(jī)在發(fā)電工況尋優(yōu)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行之后的各部位壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)組試驗(yàn)從1～5 MW，轉(zhuǎn)速從814.8 r/min提高至926.5 r/min，導(dǎo)葉開度從18.9%到58.7%，當(dāng)功率達(dá)到1、2、3、4 MW及5 MW時(shí)，機(jī)組在此工況下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，取該段時(shí)間的蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)及尾水管出口的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行不同部位壓力脈動(dòng)的比較分析。通過分析全功率變速抽水蓄能機(jī)組水泵水輪機(jī)發(fā)電工況變速運(yùn)行模式的壓力脈動(dòng)，探究在發(fā)電工況變速運(yùn)行過程中水泵水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

1 試驗(yàn)方法介紹

1.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

春廠壩原為常規(guī)水電站，圖2為其廠房內(nèi)部及水泵水輪機(jī)照片，該電站安裝3臺(tái)18 MW的常規(guī)水輪機(jī)組，新裝1臺(tái)5 MW變速可逆式抽蓄機(jī)組。抽蓄機(jī)組抽水最大功率6.7 MW，發(fā)電額定功率5 MW。其運(yùn)行特點(diǎn)為：以水輪機(jī)發(fā)電為主，水泵抽水為輔。

圖2 春廠壩水電站

春廠壩變速機(jī)組充分利用全功率變頻變速的優(yōu)勢(shì)，采用變轉(zhuǎn)速-變導(dǎo)葉開度雙尋優(yōu)為手段的全路徑尋優(yōu)，使水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況均處于水輪機(jī)特性的最佳運(yùn)行區(qū)域，避開全特性曲線上可能存在的S形特性區(qū)域，避開壓力脈動(dòng)幅值大的區(qū)域。全功率變頻變速抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況全路徑優(yōu)化主要包括變轉(zhuǎn)速尋優(yōu)線以及最低單位轉(zhuǎn)速啟動(dòng)運(yùn)行線。

變轉(zhuǎn)速尋優(yōu)線基于以兼顧水輪機(jī)工況運(yùn)行的高效穩(wěn)定性和操控實(shí)用便捷的可操作性為原則，以變轉(zhuǎn)速-變導(dǎo)葉開度雙尋優(yōu)為手段，實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)不同水頭和不同出力時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速的設(shè)置，使水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行區(qū)域接近為水輪機(jī)特性的最優(yōu)區(qū)域。該路徑使水輪機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)始終處于相應(yīng)出力(相應(yīng)導(dǎo)葉開度)下的最優(yōu)效率區(qū)域。最低單位轉(zhuǎn)速啟動(dòng)運(yùn)行線為水輪機(jī)模型綜合特性曲線上的一條同時(shí)滿足水輪機(jī)快速平穩(wěn)并網(wǎng)和小開度部分負(fù)荷高效穩(wěn)定運(yùn)行的等單位轉(zhuǎn)速線。

1.2 試驗(yàn)介紹

春廠壩水泵水輪機(jī)主要參數(shù)：葉片數(shù)7個(gè)，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑D1為1.08 m，轉(zhuǎn)輪出口直徑D2為0.708 48 m，額定轉(zhuǎn)速n為1 000 r/min，固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)均為20個(gè)，額定流量為4.75 m3/s，額定水頭為130 m，水輪機(jī)工況額定比轉(zhuǎn)速為166 m·kW，水泵工況最低揚(yáng)程工況比轉(zhuǎn)速為43.6 m·kW。

本次機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)為變功率試驗(yàn)，試驗(yàn)工況點(diǎn)為有功功率階梯式升至最高負(fù)荷。在機(jī)組有功功率分別穩(wěn)定在1、2、3、4 MW及5 MW時(shí)，抽取傳感器數(shù)據(jù)，記錄水頭、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)見表1，傳感器采樣頻率為1 000 Hz。

表1 不同工況外部數(shù)據(jù)

由表1可以看出，在有功功率為1、2 MW和3 MW時(shí)轉(zhuǎn)速?zèng)]有太大變化，這是因?yàn)榭紤]到機(jī)組的水力穩(wěn)定性，變轉(zhuǎn)速尋優(yōu)設(shè)置了最低單位轉(zhuǎn)速啟動(dòng)運(yùn)行線。水輪機(jī)出力、單位轉(zhuǎn)速、單位流量以及單位轉(zhuǎn)速及單位流量的關(guān)系見式(1)～(4)，根據(jù)上述公式，水輪機(jī)啟動(dòng)工況及低負(fù)荷運(yùn)行工況均可根據(jù)水頭計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行在該最低等單位轉(zhuǎn)速線上，有功功率為1、2、3 MW時(shí)即為低負(fù)荷運(yùn)行工況，運(yùn)行時(shí)都處于同一單位轉(zhuǎn)速線上，由于有功功率為1、2、3 MW時(shí)水頭相同，其轉(zhuǎn)速也基本相同。

水輪機(jī)出力

P=γ·Qi·Hi·η

(1)

單位轉(zhuǎn)速

(2)

單位流量

(3)

Q11～n11關(guān)系

(4)

式中，γ為ρg，常取9.81；Q為流量，m3/s；H為水頭，m；η為水輪機(jī)的效率；n為機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min；D1為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑，m。

試驗(yàn)共設(shè)置壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，分別位于蝸殼進(jìn)口處、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前無葉區(qū)處以及尾水出口處，圖3為水泵水輪機(jī)傳感器位置示意圖。

圖3 傳感器位置

1.3 分析方法

壓力脈動(dòng)的分析方法主要有時(shí)域法和頻域法，時(shí)域法即相應(yīng)物理量隨時(shí)間變化的過程，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，繪制曲線，頻域法即使用FFT快速傅里葉變換將壓力脈動(dòng)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從而得到以頻率為橫軸，相對(duì)應(yīng)幅值為縱軸的頻域圖[64]。

在數(shù)據(jù)分析時(shí)，采用無量綱數(shù)壓力系數(shù)Cp作為量化水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度的參考值，該系數(shù)表達(dá)式為

(5)

2 相同工況下水泵水輪機(jī)不同部位壓力脈動(dòng)分析

選取相同工況下水泵水輪機(jī)不同部位的壓力值進(jìn)行壓力脈動(dòng)分析。即在同樣的P=1～5 MW的工況下，將水泵水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)及尾水管出口處的壓力脈動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析。表2為不同工況下各部位的壓力均值。

表2 不同工況各部位壓力均值

2.1 時(shí)域分析

圖4為P=1 MW和P=4 MW時(shí)在1 s內(nèi)的各部位壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，為了更加直觀地進(jìn)行分析，從中截取轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間內(nèi)的時(shí)域圖。圖5分別為P=1、2、3、4 MW和5 MW時(shí)的蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、尾水出口壓力脈動(dòng)的時(shí)域圖，橫坐標(biāo)約為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間，縱坐標(biāo)Cp為壓力脈動(dòng)系數(shù)。從圖5可知，P=1 MW為低負(fù)荷運(yùn)行工況，各部位的壓力脈動(dòng)相對(duì)比較雜亂，但仍可以看出，P=1 MW時(shí)的無葉區(qū)壓力脈動(dòng)與其他工況無葉區(qū)壓力脈動(dòng)一樣，具有周期性，在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的這一周里，其壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值為3.654%和-2.668%，蝸殼進(jìn)口處壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值最大約在1%處；P=2 MW時(shí)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值為6.224%和-5.656%；P=3 MW時(shí)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值為6.849%和-7.917%；P=4 MW時(shí)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值為4.431%和-5.601%；P=5 MW時(shí)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值為4.459%和-5.790%。圖5中無葉區(qū)壓力脈動(dòng)均具有明顯周期性，且在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間內(nèi)，其壓力脈動(dòng)均有7個(gè)波峰和7個(gè)波谷，即在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)間內(nèi)，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)經(jīng)過了7個(gè)周期，可知其主頻應(yīng)為葉頻。除最明顯的無葉區(qū)外，從圖4可以看出，尾水管處存在明顯的低頻壓力脈動(dòng)，時(shí)域圖中蝸殼處壓力脈動(dòng)沒有明顯規(guī)律，且蝸殼與尾水管處壓力脈動(dòng)系數(shù)較無葉區(qū)來講小了很多，可見離轉(zhuǎn)輪越遠(yuǎn)，受到動(dòng)靜干涉的影響越小，壓力脈動(dòng)越不明顯。

圖4 1 s內(nèi)各部位壓力脈動(dòng)時(shí)域

圖5 轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一周各部位壓力脈動(dòng)時(shí)域

2.2 頻域分析

為進(jìn)一步了解各部位壓力脈動(dòng)的特性，將第2.1節(jié)得到的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻域圖。圖6分別為P=1、2、3、4 MW和5 MW時(shí)的蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、尾水出口壓力脈動(dòng)的頻域圖，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)頻fn的倍數(shù)，縱坐標(biāo)A為幅值。

圖6 各部位壓力脈動(dòng)頻域

從圖6可知，P=1 MW時(shí)，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為7fn，次頻為14fn，均為葉頻倍數(shù)；蝸殼進(jìn)口處主頻為7fn；尾水管出口處主要為低頻脈動(dòng)，主頻為0.4fn。P=2 MW時(shí)無葉區(qū)整數(shù)倍葉頻壓力脈動(dòng)均較為明顯，主頻為7fn，次頻為14fn，除此之外，21fn處壓力脈動(dòng)也非常明顯；蝸殼進(jìn)口處主頻為7fn，次頻為12fn；尾水管出口處主要為低頻脈動(dòng)，主頻為0.3fn。P=3 MW時(shí)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為7fn，次頻為14fn；蝸殼進(jìn)口處主頻為7fn，次頻為12fn；尾水管出口處主頻為0.3fn。P=4 MW時(shí)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為7fn，次頻為14fn，28fn處壓力脈動(dòng)也比較明顯；蝸殼進(jìn)口處主頻為0.3fn，次頻為14fn；尾水管出口處主要仍為低頻脈動(dòng)，主頻為0.3fn。P=5 MW時(shí)，圖中無葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為7fn，次頻為14fn，除此之外整數(shù)倍葉頻壓力脈動(dòng)如21fn、28fn均非常顯著；蝸殼進(jìn)口處主頻為12fn，次頻為21fn；尾水管出口處主頻為12fn，除此之外主要均為低頻脈動(dòng)，次頻為0.3fn。

由圖6可知，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻均為7fn，蝸殼進(jìn)口處壓力脈動(dòng)主頻在轉(zhuǎn)速與開度較小處為7fn。隨著轉(zhuǎn)速增大，導(dǎo)葉開度增大，其主頻逐漸由7fn變?yōu)榈皖l0.3fn或12倍頻，相較于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，無葉區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)受動(dòng)靜干涉影響明顯，并且隨著轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度增大，無葉區(qū)14fn的壓力脈動(dòng)也隨之越來越明顯。尾水管出口處壓力脈動(dòng)幅值非常小，且主要為低頻脈動(dòng)，幾乎不受動(dòng)靜干涉的影響。

2.3 整體分析

相同工況下，由上述時(shí)域頻域圖可以看出無葉區(qū)壓力脈動(dòng)是最嚴(yán)重的；除無葉區(qū)外，蝸殼也受到動(dòng)靜干涉的影響。無葉區(qū)位于轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉之間，受到的動(dòng)靜干涉影響最大，總的來說，離轉(zhuǎn)輪區(qū)域越遠(yuǎn)，受到動(dòng)靜干涉的影響越??；尾水管處存在一定的低頻脈動(dòng)，這是由尾水管渦帶引起。

圖7為不同工況各部位壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp的峰值柱狀圖。由圖7可知，尾水管壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值最小，在P=2 MW時(shí)出現(xiàn)最大值為0.78%；蝸殼壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值在P=3 MW時(shí)出現(xiàn)最大值1.98%；整體來講，無葉區(qū)的壓力脈動(dòng)系數(shù)為最大，且在P=3 MW時(shí)其壓力脈動(dòng)系數(shù)峰值出現(xiàn)最大值9.85%。從圖7可以看出，無葉區(qū)的Cp峰值從P=1 MW到P=3 MW逐漸增大，在P=4 MW時(shí)明顯減小，在P=5 MW時(shí)稍有增大；蝸殼進(jìn)口處的Cp峰值變化規(guī)律與無葉區(qū)相同；尾水管出口處的Cp峰值從P=1 MW到P=2 MW時(shí)增大，在P=3 MW時(shí)減小，4 MW時(shí)增大，5 MW時(shí)又減小。造成上述變化的原因?yàn)?，考慮到機(jī)組的水力穩(wěn)定性，變轉(zhuǎn)速尋優(yōu)設(shè)置了最低單位轉(zhuǎn)速啟動(dòng)運(yùn)行線，水輪機(jī)啟動(dòng)工況及低負(fù)荷運(yùn)行工況均可根據(jù)水頭計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行在該最低等單位轉(zhuǎn)速線上。P為1、2、3 MW的3種工況均為低負(fù)荷運(yùn)行工況，運(yùn)行時(shí)都處于同一單位轉(zhuǎn)速線上，其轉(zhuǎn)速基本相同，因此當(dāng)導(dǎo)葉開度逐步增大時(shí)，流量隨之增大，壓力脈動(dòng)越來越劇烈；從P=4 MW開始，機(jī)組進(jìn)入變速尋優(yōu)狀態(tài)，通過機(jī)組的單位流量確定其尋優(yōu)后對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，此時(shí)水泵水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，因此無葉區(qū)及蝸殼處的壓力脈動(dòng)有所減??；P=5 MW時(shí)，機(jī)組流量繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)速增大，各轉(zhuǎn)輪葉道之間會(huì)產(chǎn)生均勻分布的渦結(jié)構(gòu)，從而使得無葉區(qū)與蝸殼處壓力脈動(dòng)幅值稍有增加。

圖7 不同部位各工況Cp峰值柱狀圖

由上述時(shí)域頻域圖及分析可以看出，經(jīng)過變速尋優(yōu)后的工況，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)相較于尋優(yōu)之前是有所減小的，且整個(gè)過程中壓力脈動(dòng)系數(shù)均10%以內(nèi)，可以看出尋優(yōu)變速運(yùn)行對(duì)水機(jī)的內(nèi)流穩(wěn)定是有一定好處的。當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，可以通過在綜合模型特性曲線上尋找在穩(wěn)定條件下相應(yīng)效率最高的工況點(diǎn)，這樣既可以保證水機(jī)在不同工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，又能提高其效率。

3 不同工況下水泵水輪機(jī)各部位壓力脈動(dòng)分析

選取不同工況下水泵水輪機(jī)相同部位的壓力值進(jìn)行壓力脈動(dòng)分析。將不同工況下同一部位的壓力脈動(dòng)特性放在一起進(jìn)行比較，圖8為各部位不同工況下壓力脈動(dòng)頻域。由圖8a可知，蝸殼進(jìn)口處壓力脈動(dòng)的頻率成分較為復(fù)雜，不僅受到轉(zhuǎn)輪區(qū)域動(dòng)靜干涉的影響，還有許多其他頻率的壓力脈動(dòng)。整體來講，蝸殼仍是受動(dòng)靜干涉的影響最大。由圖8可知，當(dāng)P=1 MW時(shí)，蝸殼進(jìn)口處主頻為7fn，除了整數(shù)倍葉頻14fn、21fn的壓力脈動(dòng)外，也有1.5fn及頻率更低的壓力脈動(dòng)存在；當(dāng)P=2 MW時(shí)，其主頻仍為葉頻7fn，次頻為12fn，頻率為14fn的壓力脈動(dòng)有一定增大，1.5fn及頻率更低的壓力脈動(dòng)也存在；P=3 MW時(shí)，主頻為葉頻7fn，次頻為12fn，14倍頻和21倍頻依然存在，但低頻脈動(dòng)幅值開始增大；P=4 MW時(shí)，低頻脈動(dòng)0.3fn成為蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)的主頻，次頻為14fn，此外，頻率為1.4fn及12fn的壓力脈動(dòng)也很顯著；P=5 MW時(shí)，主頻為12fn，次頻為21fn，頻率為1.2fn的壓力脈動(dòng)也仍較大。整體觀察可知，蝸殼壓力脈動(dòng)還是一直受到轉(zhuǎn)輪區(qū)域動(dòng)靜干涉的影響，除此之外，也存在其他頻率的脈動(dòng)，如低頻脈動(dòng)0.3fn，1～2倍頻及12fn的壓力脈動(dòng)等。

圖8 各部位在不同工況下壓力脈動(dòng)頻域

由圖8b可知，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)主要受到動(dòng)靜干涉的影響，其5種工況主頻均為葉頻，次頻均為2倍葉頻。由圖8b可知，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)除整數(shù)倍葉頻的頻率外，也存在fn、2fn這樣1倍2倍轉(zhuǎn)頻的壓力脈動(dòng)頻率以及0.3fn的低頻脈動(dòng)。觀察得知無葉區(qū)7fn的壓力脈動(dòng)幅值從P=1 MW到P=3 MW逐漸增大，在P=3 MW時(shí)達(dá)到最大值，在P=4 MW與P=5 MW時(shí)又有所減弱；而在14fn處的壓力脈動(dòng)幅值從P=1 MW到P=5 MW隨著有功功率的增大而逐漸增大。

由圖8c可知，尾水管出口處的壓力脈動(dòng)主要為低頻脈動(dòng)，由尾水管渦帶引起。由圖8c可知，當(dāng)P=1 MW時(shí)，尾水管出口處主頻為0.4fn，次頻為23fn，除了0.4fn的壓力脈動(dòng)外，也有許多不同頻率的低頻脈動(dòng)存在；當(dāng)P=2 MW時(shí)，其主頻為0.3fn，次頻為24fn；P=3 MW時(shí)，主頻為0.3fn，次頻為25fn，此時(shí)還存在頻率為葉頻7fn的壓力脈動(dòng)；P=4 MW時(shí)，低頻脈動(dòng)0.3fn為尾水出口處的主頻，且幅值陡增，次頻為24fn；P=5 MW時(shí)，主頻為12fn，次頻為23fn，此時(shí)低頻脈動(dòng)幅值較前4種工況來說很小。整體觀察可知，尾水管出口處壓力脈動(dòng)主要為低頻脈動(dòng)，幾乎不受動(dòng)靜干涉的影響，低頻脈動(dòng)的幅值從P=1 MW到P=4 MW一直增大，且在P=4 MW處有一個(gè)突增達(dá)到最大值，在P=5 MW時(shí)又突降到最小，說明在P=4 MW時(shí)，尾水管渦帶最為嚴(yán)重，造成了這一現(xiàn)象。

綜合對(duì)比可知，P=3 MW和P=4 MW的工況較差，在這2個(gè)工況下，蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)以及尾水管出口的低頻壓力脈動(dòng)都有所升高，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行不利。P=3 MW為仍處于最低單位轉(zhuǎn)速線上的工況，此時(shí)導(dǎo)葉開度增大，逐漸需要機(jī)組改變到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，P=4 MW時(shí)機(jī)組剛開始進(jìn)行變速尋優(yōu)，這2種工況均不屬于非常穩(wěn)定的工況，使得機(jī)組內(nèi)部容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速、脫流及渦帶等不利于水泵水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)的狀況，從而導(dǎo)致各部位的壓力脈動(dòng)更加劇烈。到P=5 MW時(shí)，機(jī)組處于較好的工況下，轉(zhuǎn)速較高，導(dǎo)葉開度也與之匹配，因此可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)的各部位壓力脈動(dòng)均有所下降。

除此之外，蝸殼進(jìn)口處除了低頻脈動(dòng)與整數(shù)倍葉頻的壓力脈動(dòng)外，頻率為12倍頻的壓力脈動(dòng)也非常顯著，而在尾水管出口處，除了由尾水管渦帶引起的低頻脈動(dòng)外，頻率為23fn、24fn和25fn的壓力脈動(dòng)也很明顯，這些頻率的壓力脈動(dòng)可能是由于抽蓄機(jī)組各部位的固有頻率、共振以及測(cè)量儀器影響等原因造成。

4 結(jié) 論

本文主要進(jìn)行了水輪機(jī)工況下水泵水輪機(jī)在變速運(yùn)行后穩(wěn)定處于P=1～5 MW時(shí)的壓力脈動(dòng)時(shí)域及頻域分析，從相同工況下水泵水輪機(jī)不同部位壓力脈動(dòng)分析以及同一部位不同工況下壓力脈動(dòng)的對(duì)比兩個(gè)方面進(jìn)行了比較和分析，最終得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)最嚴(yán)重，主要由動(dòng)靜干涉引起，在無葉區(qū)由動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生后，它會(huì)隨之向周圍傳遞，蝸殼會(huì)受到其影響；尾水管距離動(dòng)靜干涉區(qū)域更遠(yuǎn)，受到的影響非常小，但尾水管會(huì)受到尾水管渦帶的影響，產(chǎn)生低頻壓力脈動(dòng)。

(2)從不同工況來講，P=3 MW和P=4 MW的工況壓力脈動(dòng)較為劇烈，小流量工況水流在固定導(dǎo)葉內(nèi)分布不均，隨著水流向后延伸會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)。大流量工況轉(zhuǎn)輪葉片之間水流分布較為均勻，但是各轉(zhuǎn)輪葉道之間會(huì)產(chǎn)生均勻分布的渦結(jié)構(gòu)，從而使得無葉區(qū)產(chǎn)生較大的壓力。

(3)由時(shí)域頻域圖可以看出，經(jīng)過變速尋優(yōu)后的工況，壓力脈動(dòng)情況良好，壓力脈動(dòng)系數(shù)在整個(gè)過程中均處于10%以內(nèi)，變速機(jī)組的尋優(yōu)運(yùn)行路徑使得水泵水輪機(jī)總是處于較好的工況點(diǎn)，變速運(yùn)行有利于水泵水輪機(jī)內(nèi)流流態(tài)等的改善。