混流式水輪機大負(fù)荷區(qū)壓力脈動陡升問題研究

孔凡瑞，李遠(yuǎn)余，張樹邦（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

混流式水輪機大負(fù)荷區(qū)壓力脈動陡升問題研究

孔凡瑞，李遠(yuǎn)余，張樹邦
（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘要：針對電站水輪機出現(xiàn)的大負(fù)荷區(qū)壓力脈動陡增現(xiàn)象，通過電站模型和電站實測壓力脈動實驗結(jié)果，結(jié)合電站分步驟改型措施和對水輪機CFD結(jié)果分析認(rèn)為，水輪機大負(fù)荷區(qū)壓力脈動陡升問題與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口設(shè)計有直接關(guān)系，不理想的轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口設(shè)計會導(dǎo)致水輪機在大負(fù)荷時葉片進(jìn)口正面脫流，產(chǎn)生水輪機壓力脈動陡升現(xiàn)象。在實際中可以通過改善水力和其它方法消除或減小水輪機壓力脈動值，提高機組運行的安全穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機；壓力脈動陡升；水輪機運行穩(wěn)定性

1概述

根據(jù)混流式水輪機特點，其額定點一般較接近最優(yōu)工況點并位于其右側(cè)，效率水平較高，運行工況穩(wěn)定。但近年來一些電站相繼出現(xiàn)了在額定工況附近不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為機組運行功率擺動大、壓力脈動及機組振動陡升、調(diào)速器在大負(fù)荷難以穩(wěn)定等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了機組的安全穩(wěn)定運行，降低了電站運行的經(jīng)濟性。

通過對電站的分析研究可以看出，水輪機大負(fù)荷壓力區(qū)脈動陡升現(xiàn)象有著與其它壓力脈動不同的振動特點和振源位置。一般混流式水輪機在40% ～60%額定出力時的振動增加，是由轉(zhuǎn)輪出口處旋轉(zhuǎn)渦帶造成的，表現(xiàn)為尾水管錐管壓力脈動增加，水輪機振動增大，尾水管進(jìn)人門處噪聲大，成像觀察時尾水管有與水輪機旋轉(zhuǎn)方向一致的強烈旋轉(zhuǎn)鞭狀渦帶。大負(fù)荷壓力脈動陡增則主要表現(xiàn)為導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動的陡升，尾水管壓力脈動有上升趨勢，但相對于前兩者的上升幅度較小。

本文通過對模型實驗結(jié)果、真機現(xiàn)場實驗結(jié)果和對水輪機的CFD分析，找到了水輪機大負(fù)荷區(qū)壓力脈動陡升的原因，并給出了幾種可行性措施。

2電站問題提出及過程分析

問題是以國內(nèi)某大型電站的實際運行情況而提出的。國內(nèi)某大型電站2011年3號機監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，機組在高負(fù)荷時一些穩(wěn)定性指標(biāo)超標(biāo)，特別在接近相應(yīng)水頭滿負(fù)荷附近，水輪機振動、擺渡和壓力脈動突然上升。廠家隨后對該電站2號、3號和5號機進(jìn)行了現(xiàn)場測試及模型實驗，電站主要參數(shù)如表1。

表1電站主要參數(shù)

電站現(xiàn)場測試時水輪機運行凈水頭約為160m，相應(yīng)的水輪機最大出力約535MW。實驗過程中隨著2號、3號和5號機組出力逐漸上升到530MW負(fù)荷以上時，可聽見發(fā)電機頂罩上蓋板由于水輪機補氣而產(chǎn)生的振動聲響。將5號機發(fā)電機頂罩上蓋板拆除，在發(fā)電機頂罩上方觀測補氣情況。機組在390～420MW負(fù)荷時，補氣閥發(fā)出輕微滋滋聲響，補氣閥未動作；在420～450MW負(fù)荷時，補氣閥未動作；在500MW負(fù)荷時補氣閥開始頻繁動作，約3s動作一次，但每次補氣閥開度很小并瞬間關(guān)閉；在510MW負(fù)荷時補氣閥開閥時間加長，補氣噪聲加大；機組在520MW負(fù)荷以上時，補氣情況劇烈，補氣閥開度可達(dá)10mm左右。

3號機試驗過程中，尾水錐管進(jìn)人門處在大負(fù)荷（約510MW以上）有渦帶撞擊聲，聲音不大；當(dāng)機組出力大于520MW時，噪聲明顯加大。

另外2號機還進(jìn)行了沒有補氣情況下的實驗。實驗過程中，機組出力為520MW時，尾水錐管進(jìn)人門處有較大的轟鳴聲，在530MW時并伴有較大的尾水渦帶撞擊邊壁聲。在不補氣的情況下，尾水錐管進(jìn)人門處的聲響比補氣管暢通時似有加大，但不明顯。后期對真機的實測結(jié)果顯示，當(dāng)機組出力超過550MW時，機組蝸殼進(jìn)口和頂蓋的壓力脈動陡升，但尾水錐管處上升并不明顯（詳見圖14）。

3電站采取措施

根據(jù)電站情況，采用逐項排除的方式對水輪機進(jìn)行了消除振動措施，對水輪機各個過流部件進(jìn)行了分步驟修型，并對修型前、后機組的振動參數(shù)進(jìn)行了比較。

首先，電站對葉片活動出口及固定導(dǎo)葉出口進(jìn)行修型（見圖1、2），并加長轉(zhuǎn)輪泄水錐，以判斷該問題是否為導(dǎo)葉出口處卡門渦造成的，以及加長轉(zhuǎn)輪泄水錐對其振動是否有明顯降低。經(jīng)對修型前后機組的壓力脈動現(xiàn)場實測和模型實驗結(jié)果分析比較可以看出，修型前后的水輪機壓力脈動無明顯變化，隨出力增大趨勢仍然明顯，噪聲略有降低，故可以排除卡門渦引起振動的可能性，加長泄水錐對降低此時的壓力脈動也無明顯效果。

圖1活動導(dǎo)葉修型形狀

圖2固定導(dǎo)葉修型形狀

其次，在葉片出口背面約80mm葉片下半部區(qū)域?qū)θ~片進(jìn)行減薄修型。以改變卡門渦的頻率，減輕引起的卡門渦噪聲。現(xiàn)場測試結(jié)果顯示，效果不明顯。

第三步，從出水邊的中部至下環(huán)處出水邊切割40mm（見圖3、4），出水邊形狀由壓力面平直吸力面弧面改為吸力面平直壓力面弧面，以降低其卡門渦頻率。實測結(jié)果顯示，修型后，在同樣的開度下，出力比其它機組高約15MW。在該水頭滿負(fù)荷下，頂蓋振動值基本不超標(biāo)，但仍有明顯加大趨勢。

圖3下環(huán)側(cè)葉片修型形狀

圖4上冠側(cè)葉片修型形狀

最后，將1號機葉片出水邊靠近上冠處切削反向三角區(qū)域。通過對葉片上冠修型前、后試驗數(shù)據(jù)對比可知，修型后1號機組水輪機穩(wěn)定性得以大幅改善，修型前頂蓋垂直振動在超過500MW后有明顯抬升趨勢，在最大負(fù)荷下（555MW）達(dá)到最大（115um），修型后雖仍有抬升，但已明顯放緩，最大負(fù)荷下（580MW）頂蓋垂直振動為52um，幅值明顯降低。與其它沒有進(jìn)行上冠處修型機組相同條件下的振動對比知道，1號機頂蓋的振動和壓力脈動均明顯較小，修型后機組出力范圍也一定程度上增加。轉(zhuǎn)輪葉片出口上冠側(cè)修型對于噪聲主頻的改變和低水頭、大負(fù)荷下頂蓋垂直振動和其壓力脈動降低均有一定效果。

通過上述一系列修型措施，較為有效地控制了機組在大負(fù)荷區(qū)域的壓力脈動和機組振動，對降低大負(fù)荷區(qū)域壓力脈動及振動陡升問題起到了一定作用。

4模型及真機壓力脈動實驗結(jié)果及分析

在采取了上述一系列修型措施后，廠家對各修型前、后的水輪機模型進(jìn)行了模型實驗。結(jié)果如圖5～圖14：

圖5蝸殼進(jìn)口修型前壓力脈動

圖6 蝸殼進(jìn)口修下環(huán)處后壓力脈動

圖7蝸殼進(jìn)口修上冠處后壓力脈動圖

圖8無葉區(qū)修型前壓力脈動

圖9無葉區(qū)修下環(huán)處后壓力脈動

圖10無葉區(qū)修上冠處后壓力脈動

圖11尾水管修型前壓力脈動

圖12尾水管修下環(huán)處后壓力脈動

圖13尾水管修上冠處后壓力脈動

圖14 現(xiàn)場試驗各部位壓力脈動

通過數(shù)據(jù)圖表可以看出，電站模型和真機的壓力脈動值都有在通過最優(yōu)區(qū)域后壓力脈動陡升現(xiàn)象，而且升高的幅值較高，與常規(guī)混流式水輪機在此區(qū)域的特性明顯不同。

圖5，6，7模型實驗數(shù)據(jù)圖表顯示，蝸殼進(jìn)口處45%較低負(fù)荷區(qū)域壓力脈動，在蝸殼進(jìn)口處沒有引起明顯的壓力波動，這是因為在導(dǎo)葉小開度、部分負(fù)荷條件下，水輪機的振動主要是由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)渦帶造成的，渦帶能量由于轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的阻擋，沒有傳到蝸殼處，而是隨水流流向尾水管，造成尾水管進(jìn)口的壓力脈動增加。

電站問題的解決過程說明，轉(zhuǎn)輪的葉片、導(dǎo)葉尾部修型后對壓力脈動有一定影響，但沒有消除其大負(fù)荷區(qū)域的振動和壓力脈動陡升問題。因此，可以排除振源為葉片和導(dǎo)葉出水邊卡門渦。

根據(jù)實驗結(jié)果知道，導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前壓力脈動變化幅值較尾水管處大，且敏感，所以振源應(yīng)在導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間。根據(jù)以上分析知道振動不是由活動導(dǎo)葉出口卡門渦引起，應(yīng)該產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口側(cè)。

葉片進(jìn)口產(chǎn)生的脫流渦帶隨水流向下流動，穿過轉(zhuǎn)輪葉柵區(qū)到達(dá)轉(zhuǎn)輪出口，使尾水管壓力脈動增加，造成轉(zhuǎn)輪出口處壓力波動，使大軸中心孔補氣裝置開始動作。

現(xiàn)場最后進(jìn)行的葉片出水邊上冠側(cè)切割大三角區(qū)域措施，實質(zhì)上增加了轉(zhuǎn)輪葉片的開口值，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)輪單位流量和過流能力，使得水輪機的特性整體向右上方移動，有效遠(yuǎn)離原來大負(fù)荷壓力脈動陡升區(qū)，從而提高了水輪機運行穩(wěn)定性，從側(cè)面解決了大負(fù)荷區(qū)域振動問題。

5電站水輪機的CFD分析

為了尋找電站大負(fù)荷區(qū)域壓力脈動陡升問題的振源位置，建立了電站水輪機CFD模型，并分別對最優(yōu)工況點，現(xiàn)場試驗工況點及試驗點45%出力條件下進(jìn)行了CFD計算。

CFD分析結(jié)果顯示，在最優(yōu)工況時，水輪機CFD模型從蝸殼進(jìn)口至尾水管出口流態(tài)較好；固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處未見卡門渦；尾水管無旋轉(zhuǎn)渦帶，進(jìn)口處水流為法向；葉片正、背面壓力分布均勻，葉片進(jìn)口處速度矢量在正、背面分布均勻，但已經(jīng)有正面矢量分布多背面分布少趨勢，水流相對葉片進(jìn)口已經(jīng)有負(fù)傾角趨勢。

現(xiàn)場試驗工況點時，固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處未見卡門渦；尾水管未見較強旋轉(zhuǎn)渦帶，有空腔渦帶產(chǎn)生，渦帶壓力分布比較均勻；葉片進(jìn)口背面有明顯高壓區(qū)，壓力明顯高于相應(yīng)葉片正面，葉片進(jìn)口處矢量分布明顯偏向葉片正面，背面矢量分布極少，水流相對葉片進(jìn)口負(fù)傾角趨勢極明顯。

45%負(fù)荷時，固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處未見明顯卡門渦；尾水管有較強旋轉(zhuǎn)渦帶，旋向與機組旋向一致；葉片正、背面壓力總體分布均勻，葉片進(jìn)口處速度矢量在正、背面分布均勻，稍偏向背面。

圖15為45%負(fù)荷葉片進(jìn)口壓力分布，圖16為最優(yōu)工況葉片進(jìn)口壓力分布，圖17為大負(fù)荷葉片進(jìn)口壓力分布，圖18為45%負(fù)荷葉片進(jìn)口矢量分布，圖19為最優(yōu)工況葉片進(jìn)口矢量分布，圖20為大負(fù)荷葉片進(jìn)口矢量分布，圖21為45%負(fù)荷尾水管流線圖，圖22為最優(yōu)工況尾水管流線圖，圖23為大負(fù)荷尾水管流線圖。

圖15

圖16

圖17

圖18

圖19

圖20

圖21

圖22

圖23

從計算結(jié)果可以看出，水輪機葉片進(jìn)口側(cè)在大負(fù)荷區(qū)流態(tài)變化劇烈，且有嚴(yán)重脫流現(xiàn)象，與模型實驗結(jié)果相吻合。水輪機其它部位水流流態(tài)正常。

6解決辦法

根據(jù)大負(fù)荷區(qū)域混流式水輪機壓力脈動陡升的產(chǎn)生機理分析和以往經(jīng)驗，解決和減輕大負(fù)荷區(qū)域壓力脈動陡升問題的方式主要有以下幾種：

（1）改善葉片水力設(shè)計，優(yōu)化葉片進(jìn)口角度，選擇合適的葉片進(jìn)口厚度形狀，消除大負(fù)荷區(qū)域葉片進(jìn)口脫流現(xiàn)象，從而徹底解決大負(fù)荷區(qū)振動問題。

（2）選擇合適的轉(zhuǎn)輪泄水錐形式。

（3）向轉(zhuǎn)輪出口處補氣，降低機組尾水管壓力脈動幅值。

（4）向水輪機導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前補壓縮空氣，降低轉(zhuǎn)輪進(jìn)口渦帶能量，從而降低振幅。

（5）發(fā)生大負(fù)荷區(qū)域振動的電站，應(yīng)盡量采用合理的機組運行方式，避開振動較大區(qū)域運行。

（6）新電站建設(shè)過程中，更加關(guān)注模型大負(fù)荷區(qū)壓力脈動問題，在使用具有大負(fù)荷壓力脈動問題的轉(zhuǎn)輪模型時，要合理選擇電站轉(zhuǎn)速和直徑，使得水輪機正常運行區(qū)域遠(yuǎn)離壓力脈動陡升區(qū)域。

（7）采用負(fù)曲率導(dǎo)葉，改變轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處水流環(huán)量，減輕正面脫流。由于導(dǎo)葉環(huán)量的改變會造成水輪機特性的整體改變，發(fā)生水輪機的特性偏移，后續(xù)需要進(jìn)一步深入的研究，并盡量以模型試驗進(jìn)行驗證。

7總結(jié)

通過對電站模型、真機實驗結(jié)果對比和對相應(yīng)的CFD模型的分析知道，電站在大負(fù)荷區(qū)域的壓力脈動陡升主要是由于其水輪機進(jìn)口在大負(fù)荷區(qū)域，隨著導(dǎo)葉開口逐漸增加，水流的負(fù)環(huán)量逐漸增加，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口處大范圍的正面脫流，進(jìn)而導(dǎo)致了機組壓力脈動和振動的陡升現(xiàn)象。

在葉片設(shè)計時，建議進(jìn)口處厚度不宜過薄，以便使葉片進(jìn)口具有對水流環(huán)量更大的適應(yīng)性。

在實驗室條件允許情況下，模型實驗盡量增加對水輪機轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的成像觀測，在模型實驗階段對轉(zhuǎn)輪模型特性進(jìn)行更加全面的掌握。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號：TV136

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）04-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.001

收稿日期：2015-02-27

作者簡介：孔凡瑞（1980-），男，工程師，從事水輪機設(shè)計工作。