安裝調壓閥對水輪機效率影響試驗研究

王修禮，王柏柏，周同旭，董 麟,張振中

（天津電氣科學研究院有限公司國家能源中小水電設備重點實驗室，天津 300180）

1 引言

隨著科學技術的進步，調壓閥技術和性能得到了快速的發展和提高，使用調壓閥替代調壓井在水輪發電機組應用越來越廣泛，得到很好的經濟效益和社會效益。

調壓閥的安裝，通常在水輪機蝸殼開孔安裝調壓閥進水管，然后把水排進水輪機尾水管。這樣對水輪機的流道有一定的破壞，對水輪機的性能是否產生不利的影響，影響程度如何，一直是用戶關注的問題，本試驗旨在通過模型試驗推導出具體的定量結果。

通過對安裝調壓閥的某電站進行CFD三維定常湍流計算[1]，得出如下結論：流場分布相同，對水力性能影響甚微，理論計算結果效率下降0.02%。

水輪機的性能研究是一門試驗科學，為驗證計算的準確性和科學性，解決用戶關切，通過模型試驗對安裝調壓閥前后的實驗結果進行了比較，并通過試驗推導出對水輪機效率影響的推薦公式。

2 調壓閥的安裝位置布置尺寸

試驗在天津電氣科學研究院有限公司的國家能源中小水電設備重點實驗室的水力機械試驗臺上進行，該臺的精度為水輪機效率綜合誤差小于0.25%。

試驗參數如表1：

表1 試驗參數

調壓閥安裝位置和布置尺寸圖1：

調壓閥進口直徑與蝸殼進口直徑的比例為0.3，可以滿足一般機組泄流的要求。根據調壓閥的流量特性，選擇的調壓閥一般要求能夠卸掉機組超過空載流量以上的流量。

圖1 調壓閥安裝位置和布置尺寸

3 效率試驗

3.1 效率試驗參數

試驗水頭：H=8 m

單位轉速范圍：n11=70～200 r/min

單位流量范圍：Q11=1 000～1 850 L/s

對應轉速范圍：n=650～1 600 r/min

對應流量范圍：Q=0.30-0.64 m3/s

效率試驗選擇在槳葉為Φ=+50，水輪機的導葉開度從A0=30°到A0=50°以5°為梯度進行。效率試驗結果以效率曲線表示。

3.2 效率試驗結果

經過對調壓閥安裝前后水輪模型機三種情況下效率試驗結果的分析，可得出僅蝸殼處開孔，效率值會降低0.1%～0.3%，完全安裝調壓閥后（再加上尾水管開泄流孔），效率會降低0.2%～0.4%。隨著流量的增大，相應的損失也逐漸增大，在尺寸一定的情況下，局部損失與流速的平方成正比，也就是與流量的平方成正比，換算成與水頭的比值，即換算成效率的損失與單位流量的關系，效率損失用公式表達為：

式中：△η：安裝調壓閥后試驗效率損失；

KT：單位流量表示的效率損失系數；

KTS：渦殼進口單位流量表示的效率損失系數；

Ds：渦殼進水口直徑；

Q：水輪機試驗流量；

Q11：水輪機的單位流量；

H：試驗水頭。

試驗后分別計算出每個試驗點的KTS，具體試驗結果見表2和表3。

僅在蝸殼處開孔時的效率損失系數的平均值：

完全安裝調壓閥后效率損失系數值：

效率損失與渦殼直徑、水頭和流量相關，不同水頭段轉輪直徑D1與渦殼進口直徑Ds比值變化較大，因此把損失系數KT（以轉輪直徑D1表示的單位

流量）換算成KTS（以渦殼進口直徑Ds表達的渦殼進口單位流量）更容易表達影響特性。換算關系為：

效率試驗典線見圖2～圖5。

圖2 在蝸殼處開孔安裝調壓閥效率曲線對比

表3 完全安裝調壓閥效率試驗數據（η 前：未安裝閥門，η2：僅蝸殼處連接閥門）

從圖2曲線上可以看出，各A0導葉開度下，效率影響雖然很小，但都有所下降。

圖3 在蝸殼處開孔安裝調壓閥單位流量曲線對比

從曲線上可以看出，各A0導葉開度下，效率影響依然很小，但影響略有增加。

從曲線上可以看出，各A0導葉開度下，單位流量影響還是很小，一般都在0.1%，可以忽略不計。

4 結語

水輪機安裝調壓閥，在渦殼上開孔安裝調壓閥進水管，在尾水管水平擴散段開孔安裝調壓閥出水管，水輪機水力效率略有下降，對單位流量和單位轉速的影響可以忽略不計，效率下降數值在0.1%～0.4%的范圍內，可按下列公式近似計算：

式中：KTS為效率影響系數。

本次試驗條件下，KTS=0.2138。

DS為渦殼進口直徑

一般情況下，水頭段在100 m以上的機組，效率影響值在0.1%以下，可以忽略不計； 水頭段在100 m以下的機組，流量相對較大，可以按上式進行計算。對流量和轉速的影響可以忽略不計。

[1]馮志丹.老撾某電站調壓閥對水輪機水力性能的影響[M]//中國水利發電工程學會水利機械專業委員會，中國電機工程學會水電設備專業委員會，中國動力工程學會水輪機專業委員會.水電設備的研究與實踐：第20次中國水電設備學術討論會論文集.北京：中國水利水電出版社，2015.