水泵水輪機在水輪機制動工況下壓力脈動的模型試驗研究

劉文杰，秦坤濤，徐用良，王 磊（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

水泵水輪機在水輪機制動工況下壓力脈動的模型試驗研究

劉文杰，秦坤濤，徐用良，王 磊
（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

本文對水泵水輪機模型裝置在水輪機制動工況下的壓力脈動進行了試驗研究，得到了不同導葉開度和不同測點位置，壓力脈動信號在時域和頻域內隨流量的變化規律。此外，對無葉區壓力脈動信號進行了細致的分析，収現在導葉開度A0=20~40mm的范圍內，該測點位置在小流量區域存在大小約0.5~0.7倍轉頻的特殊頻率，這種頻率能影響壓力脈動的時頻特性。

水泵水輪機；水輪機制動；壓力脈動；模型試驗

0 引言

1 模型裝置及試驗方法

本試驗研究是針對500m水頭段蓄能電站的混流可逆式水泵水輪機模型進行的。水泵水輪機的模型轉輪直徑D2=275mm，轉輪葉片數Z=9。水輪機工況最優點為n11_opt=40.5r/min，q11_opt=0.563m3/s，水泵工況在試驗轉速n=1000r/min下的最優點為Q_opt=0.256m3/s，H_opt=34.99m。模型裝置的壓力脈動測點的布置如圖1所示，1為蝸殼進口，2、3為導葉后轉輪前，4為頂蓋，5為固定導葉間，6、7為尾水錐管，8、9為尾水肘管。

模型試驗在哈爾濱大電機研究所高水頭試驗臺進行，模型試驗導葉開口從A0=12mm~A0=36mm，導葉開度間隔為4mm。試驗時定測功機轉速，通過調節水泵與閥門的大小來改變工況。試驗從各導葉開度下的飛逸工況點開始，逐漸減小單位流量，直至接近零流量，涵蓋整個水輪機制動工況。

模型試驗采用美國某公司的動態壓力傳感器和尼高力數據采集器，收集和記錄各工況下的壓力脈動信號[4-6]。該公司動態壓力傳感器，其頻率響應范圍能覆蓋被測信號的全部有用頻率。尼高力數據采集器的采樣頻率設置為每通道2kHz，其A/D轉換器分辨率不小于16位，采樣時間設置為10s。采集的試驗結果采用97%置信度分析得到時域的混頻幅值，用FFT分析得到頻域的主頻及其振幅。

圖1　壓力脈動測點分布

2 模型試驗結果及分析

2.1時域混頻幅值

首先，對壓力脈動信號進行了時域分析，得到不同測點位置和導葉開度下，壓力脈動時域混頻幅值與流量的變化兲系。試驗結果大致呈現出如下兩種變化規律。

第一種如圖2所示，導葉后轉輪前兩測點為此變化規律。壓力脈動幅值在各導葉開度下，層次分明，基本上無重疊或交叉；隨著流量的減小，壓力脈動幅值整體上呈降低趨勢，但在接近零流量的小流量附近，存在幅值先增加再減小的特殊區域。

第二種如圖3所示，其他7個測點為此變化規律。壓力脈動幅值隨導葉開度的增加，層次幵不分明，但整體上呈增大的趨勢；在同一導葉開度下，壓力脈動幅值隨流量小幅震蕩減小。

此外，將水輪機制動工況與水輪機正常運行工況的壓力脈動幅值進行比較，如圖4所示，橫坐標對應9個測點，縱坐標為壓力脈動混頻幅值，虛線曲線對應水輪機正常運行范圍內壓力脈動幅值最大的工況點，實現曲線對應水輪機制動工況下壓力脈動幅值最小的工況點（即本次試驗中 A0=12mm接近零流量的工況點）。

記者從廣東海事局獲悉，11月22日，來自東盟的文萊、柬埔寨、馬來西亞、泰國、菲律賓、越南和南亞的孟加拉、巴基斯坦等多國學員齊聚佛山海事局，開展為期一天的區域非公約船舶安全管理現場交流學習活動。

圖2　時域混頻幅值特性——導葉后轉輪前

圖3　時域混頻幅值特性——尾水管錐管

圖4　不同測點壓力脈動分布

從曲線的變化趨勢中可以看出，水輪機制動工況與水輪機工況各測點壓力脈動分布規律是一致的，無葉區壓力脈動幅值最大，頂蓋壓力脈動幅值次之，其他測點壓力脈動幅值偏小。水輪機制動工況的最小壓力脈動值仍大于水輪機正常運行范圍的最大壓力脈動值。

2.2導葉后轉輪前的特殊頻率

由于導葉后轉輪前的壓力脈動混頻幅值，在小流量出現先增加后減小的特殊區域，我們對導葉后轉輪前的壓力脈動信號進行了FFT分析，得到信號的前三個主頻及其幅值等頻域信息。從頻率信息中収現導葉后轉輪前壓力脈動信號的主頻除了葉片過流頻率外，還存在另外一種主頻，稱之為特殊頻率。特殊頻率的分布如圖5所示，從圖中可以看出特殊頻率的大小為0.5~0.7倍轉頻。

圖5　特殊頻率的分布

圖6　特殊頻率的幅值變化規律

圖7 各導葉開度下特殊頻率峰值的變化

圖6是特殊頻率的幅值變化規律。從圖中可以看出，特殊頻率對應的幅值在小流量0.05m3~0.2m3范圍內會先增加，達到峰值后，再逐漸減小回到初始值的大小，意味著特殊頻率對應的能量先逐漸增加，達到峰值后，再逐漸減弱；在整個研究范圍內，最高幅值約為初始幅值的7倍。圖7給出了各導葉開度下特殊頻率峰值隨導葉開度的變化規律，從圖中可以看出，各導葉開度下的峰值隨著開度的增加是先增大后減小，在導葉開度A0=28mm時達到極大值，這說明在此導葉開度下，存在能量最強的頻率。

2.3導葉后轉輪前時、頻域幅值的比較

信號時域內的幅值為混頻幅值；頻域內的幅值為分頻幅值。通過FFT分析，導葉后轉輪前在頻域內的主頻為葉片過流頻率和特殊頻率。將各導葉開度下混頻幅值與分頻幅值的變化規律進行比較，可以得出如圖8~圖10的結果。圖中實線為混頻幅值隨流量的變化曲線，對應于左側的坐標；點虛線是葉片過流頻率的幅值隨流量的變化曲線，橫虛線是特殊頻率的幅值隨流量的變化曲線，對應于右側的坐標。

圖8 混頻幅值與分頻幅值比較——A0=12mm和16mm

圖8為小開度A0=12mm和16mm下，混頻幅值與分頻幅值的比較。從圖中可以看出，混頻幅值隨著流量的減小是逐漸變小的，沒有出現局部極大值。通過FFT分析可以収現，所有工況點的第一主頻均為葉片過流頻率，第二主頻頻均為葉片過流頻率的二倍頻，第三主頻的分布無明顯的規律，而且其幅值非常小。

圖9為導葉開度A0=20mm~32mm下，混頻幅值與分頻幅值變化規律的比較。混頻幅值在小流量出現先增加后減小的特殊區域，隨著導葉開度的增加，特殊區域的流量逐漸變小，范圍逐漸變寬；葉片過流頻率幅值始終變幅不大，比較平緩；特殊頻率幅值會先陡增再劇減，與混頻幅值的特殊區域對應的流量范圍是相同的，在此范圍內，特殊頻率幅值要高于葉片過流頻率的幅值，特殊頻率為信號的主頻率。

圖9　混頻幅值與分頻幅值比較(A0=20mm~A0=32mm)

進而可以說明，混頻幅值的特殊區域是由特殊頻率引起的，當特殊頻率的強度高于葉片過流頻率的強度時，混頻幅值會出現特殊的變化區域。

隨著導葉開度的進一步增加，導葉后轉輪前的壓力脈動信號在小流量的特殊區域明顯減弱，甚至消失。從圖10可以看出，在導葉開度為A0=40mm時，混頻幅值的特殊區域已基本消失。此時，葉片過流頻率的幅值的變化仍比較平穩，特殊頻率的幅值雖然仍會先增再減，但其強度明顯低于葉片過流頻率。這也進一步說明，混頻幅值的特殊區域是由特殊頻率引起的。

圖10　混頻幅值與分頻幅值比較——A0=40mm

3 結論

本文對水泵水輪機在水輪機制動工況下壓力脈動進行了模型試驗研究，特別是對導葉后轉輪前測點的壓力脈動信號進行了詳細的分析，得出了如下規律：

（1）對于導葉后轉輪前測點而言，除小導葉開度A0=12mm和A0=16mm外，其它導葉開度在小流量出現幅值先增加后減小的特殊區域；而其它測點的壓力脈動幅值隨著流量的減小，整體上均會逐漸減小。

（2）跟水輪機工況相似，各測點壓力脈動變化規律是一致的，即無葉區測點的壓力脈動幅值是最大的，頂蓋次之。水輪機制動工況下的壓力脈動值遠大于正常水輪機工況的。

（3）通過對導葉后轉輪前壓力脈動信號的頻率分析可知，所有工況點的前三主頻由如下三類頻率組成：葉片過流頻率，即 f/fn=9；葉片過流頻率的二倍頻即f/fn=18；特殊頻率或第三主頻，特殊主頻大小約為f/fn=0.5~0.7。

（4）從開度A0=20mm開始，導葉后轉輪前壓力脈動的混頻幅值在小流量出現先增加后減小的特殊區域，該區域的極大值所對應的流量與特殊頻率幅值的峰值所對應的流量是相同的；且隨著導葉開度進一步增大，特殊頻率能量隨之減弱，混頻幅值的特殊區域也逐漸消失，可以說明導葉后轉輪前混頻幅值的特殊區域是由特殊頻率引起的。

（5）在較小的導葉開度（A0=16mm甚至更小）下，無特殊頻率存在，信號的主頻為葉片過流頻率；而在較大的導葉開度（大于A0=40mm）下，雖存在特殊頻率，但其強度已明顯弱；這也可以說明導葉后轉輪前混頻幅值的特殊區域是由特殊頻率引起的。

[1] 梅祖彥. 抽水蓄能發電技術[M]. 北京：水利水電出版社, 1993.

[2] 瞿倫富. 混流可逆式水泵-水輪機全工況壓力脈動的研究[J]. 動力工程, 1996,16(6): 58-64.

[3] 端潤生，混流可逆式水泵水輪機的全特性[J]. 水利水電技術, 1982, (02): 34-40.

[4] 桂中華, 等. 混流式水輪機壓力脈動與振動穩定性研究進展[J]. 大電機技術, 2014,(06): 61-65.

[5] 潘羅平, 等. 水輪機壓力脈動信號采集方法的研究[J]. 大電機技術, 2004,(02): 63-66.

[6] 趙越, 等. 近年來水輪機模型試驗技術的發展[J].大電機技術, 2010,(01): 41-45.

劉文杰（1985-），2009年畢業于哈爾濱工程大學，現從事水輪機測試工作，工程師。

審稿人：越越

Pressure Pulsation Model Test Investigation of Pump-Turbine on the Turbine-Brake Condition

LIU Wenjie, QIN Kuntao, XU Yongliang, Wang Lei
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin, 150040)

In the paper, it is researched on the pressure pulsation characteristic during turbine-brake operation of pump-turbine model installation by the model test method. Then the tendency of pressure pulsation in time domain and frequency domain along with discharge is obtained at different guide vane openings and different measuring points. Furthermore, the pressure pulsation signals of vaneless location were analyzed detailed. At the small discharge area of the location, we discover the special frequency which is about 0.5~0.7 times rotational frequency from A0=20mm to 40mm and can influence the time-domain and frequency-domain characteristic of pressure pulsation.

pump-turbine; turbine-brake; pressure fluctuation; model test

TK734

A

1000-3983(2016)03-0041-05

2015-04-23