燈泡式水輪機非協聯工況下空化性能的試驗研究

盧　池，陳梁年，姚　丹

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

燈泡式水輪機非協聯工況下空化性能的試驗研究

盧池，陳梁年，姚丹

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

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

關鍵詞：空化系數；燈泡式水輪機；模型試驗；非協聯工況；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、結構簡單、施工方便、淹沒移民少等優良的技術經濟特點而得到廣泛應用和迅速發展。燈泡貫流式水輪機（簡稱：燈泡式水輪機）作為應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，引入了空化系數這個無量綱術語，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，通常僅在協聯工況下對其空化性能進行測試，而對非協聯工況下空化性能的研究比較少。本文將以某比轉速燈泡式水輪機為例，通過模型試驗的方法，對其非協聯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和初生空化系數的概念。

關于臨界空化系數，國家標準GB/T2900.45-2006《電工術語 水電站水力機械設備》中的定義為：“在模型空化試驗中用能量法確定的臨界狀態的空化系數”；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“與所規定的空化開始狀態有關的空化系數，例如規定能量下降值”。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系。

關于初生空化系數，國家標準 GB/T 2900.45-2006《電工術語 水電站水力機械設備》中的定義為：“轉輪葉片開始出現空泡時的空化系數”；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“轉輪/葉片可見空化現象開始時的空化系數，通常由觀察得到，三個葉片出現氣泡”。可見，初生空化系數直接反映的是水輪機在低壓條件下開始出現空化現象時的空化系數，并不直接反映其效率等能量指標的變化情況。

根據臨界空化系數和初生空化系數的定義，可以清楚的認識到這兩個空化系數的判定依據不同，前者是根據“能量”指標，后者是根據“氣泡”是否發生。雖然兩者的判定依據不同，反映水輪機空化性能的側重點不同，但是二者之間仍然是有關聯的，隨著轉輪內部空化氣泡的形成、發展，對水輪機的效率、功率、流量等造成了一定的影響，不過這種關聯是一種不確定的聯系，因轉輪水力設計（包括翼型設計）、水輪機運行工況而異。

關于電站空化系數，國家標準GB/T2900.45-2006《電工術語 水電站水力機械設備》中的定義為：“在電站運行條件下的空化系數”；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”。可見，電站空化系數反映的是原型水輪機運行過程中所處的某種狀態，其值隨著運行條件的變化而變化。

在水輪機運行時，當電站空化系數小于初生空化系數時，水輪機將發生空化現象；當電站空化系數小于臨界空化系數時，隨著空化的發生、發展，水輪機將出現效率下降，甚至機組振動等不穩定現象。因此，在水輪機整個運行范圍內，電站空化系數在任何運行條件下均需大于其所對應的臨界空化系數和初生空化系數，并具有一定的安全余量。

燈泡式水輪機的空化系數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，根據可能出現的水頭、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的臨界空化系數和初生空化系數。同時，計算出相應條件下電站空化系數與臨界空化系數和初生空化系數的比值，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，在此過程中，對不同空化系數下的模型效率（hM）、流量因數（ED）、功率因數（ED）等參數進行數據采集。同時，利用閃頻裝置對模型轉輪葉片上的空化現象進行觀察，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會和中國水力發電工程學會組織的技術鑒定，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、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　試驗結果及分析

以某比轉速燈泡式模型水輪機為例，選取5個典型轉速因數，在每個轉速因數下選擇1個協聯工況點和2個非協聯工況點，共計15個工況點進行相關的試驗研究。

4.1不同工況下空化試驗結果

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果的整理，選取效率剛開始下降時的臨界空化狀態作為重點研究對象，并對之進行分析。各工況臨界空化狀態下的參數值，見表1。

表1　空化試驗工況點及臨界空化狀態下的參數值

4.2不同工況下試驗結果的對比及分析

在相同的轉速因數和轉輪葉片角度下，對其協聯工況和非協聯工況的臨界空化狀態進行對比，結果如圖1～圖5所示。

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

由于模型水輪機的轉速因數和原型水輪機的水頭相對應，也就是說在整個運行范圍內的任一水頭下，燈泡式水輪機在某一固定轉輪葉片角度運行時，其小流量非協聯工況下的臨界空化系數最小，協聯工況下的臨界空化系數次之，大流量非協聯工況下的臨界空化系最大，即小流量非協聯工況下不易發生臨界空化現象。

從圖1～圖5中不同工況臨界空化狀態下效率的對比（虛線）可以看出，在其協聯工況時，模型水輪機效率（hM）最高，無論是在小流量非協聯工況下，還是大流量非協聯工況下，其效率均出現嚴重下降的現象。并且，從總體上來說偏離協聯工況點越遠，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臨界空化狀態下性能對比

圖2　工況4、工況5、工況6臨界空化狀態下性能對比

圖3　工況7、工況8、工況9臨界空化狀態下性能對比

圖4　工況10、工況11、工況12臨界空化狀態下性能對比

圖5　工況13、工況14、工況15臨界空化狀態下性能對比

5　結束語

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

參考文獻：

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

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[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方面的研究工作。