基于模型試驗的燈泡式水輪機壓力脈動研究

姚 丹，盧 池，李廣府，郭 娜

（東芝水電設備 （杭州） 有限公司，浙江 杭州 310020）

1 研究方法

目前，對水輪機壓力脈動的研究方法主要有4種：理論計算、數值模擬、模型試驗及真機測試。本文以某比轉速的燈泡式水輪機為研究對象，通過模型試驗的方法，逐個分析轉輪與轉輪室間隙、空化系數、協聯關系的改變對壓力脈動的影響。

2 壓力脈動測量位置的選擇

在選擇壓力脈動測點時，盡可能地選擇有可能會產生最大壓力脈動及能夠反映出脈動特性的測量位置。對于不同的水輪機，最大壓力脈動的位置會隨著轉輪比轉速的不同而改變。為了較為全面地分析燈泡式水輪機壓力脈動的特點，我們選擇在槳葉與活動導葉之間左右對稱布置2個壓力脈動測點，同時在尾水管處布置一個壓力脈動測點。

3 壓力脈動試驗結果分析

3.1 轉輪與轉輪室間隙對壓力脈動的影響

水電站在投入運行后，隨著運行時間的增多，轉輪室處的基礎部件會發生磨損，轉輪與轉輪室間的實際間隙有可能會偏離設計間隙。

為了研究轉輪與轉輪室間隙對水輪機壓力脈動的影響，我們分別在設計間隙和接近二倍設計間隙的2種安裝狀態下，某一固定水頭，在不同槳葉的接近協聯導葉開度下進行壓力脈動試驗。由于水輪機壓力脈動本身具有很大的隨機性和諸多不確定因素，其數值結果會存在著些許波動，于是，測量時在每個試驗工況下均記錄了2次數據。其試驗結果如圖1所示。β表示轉輪葉片角度。

由此試驗結果，可以看出：

由于轉輪與轉輪室間隙的改變，壓力脈動幅值雖有些變化，但其波動很小，而且水輪機壓力脈動本身也具有動態特征，在不同時刻測量的壓力脈動數值，也會存在些許差異。所以，從整體趨勢來看，轉輪與轉輪室間隙的變化對壓力脈動幅值的影響很小，不會影響對水輪機壓力脈動性能的整體評價。

同時，對壓力脈動的主頻進行統計后，發現槳葉和導葉之間處的脈動主頻為f=n/60×N，其中n為水輪機轉速（r/min），N為轉輪葉片個數，轉輪與轉輪室間隙的變化對槳葉和導葉之間處的脈動主頻沒有影響。

3.2 空化系數對壓力脈動的影響

水電站在實際運行過程中，由于受自然氣候條件影響，水頭和下游水位有可能會發生變化，電站空化系數也會隨之改變。尤其對于水頭變化幅度較大的機組，研究空化系數對壓力脈動的影響，對轉輪設計時空化安全系數的選擇、原型機組的安全穩定運行具有重要的指導意義。

高二的期末考，我的成績不出意外地讓父母嘆息。老媽說：“你原來很優秀的，怎么就變成這樣了？”看著她憂傷的表情，我心里很不是滋味。

在某一固定水頭下，選取3個典型葉片角度及相應的協聯導葉開度，將尾水壓力由+3 m左右開始逐漸降低，分別在不同空化系數下，進行壓力脈動測試。其試驗結果如圖2～圖5所示。其中，圖中α表示導葉開度，β表示轉輪葉片角度，nED表示轉速因數。以下各圖中符號的含義，均如上所述。圖中橫坐標為空化系數，主縱坐標為壓力脈動幅值，可反映出空化系數與脈動振幅之間的關系；次縱坐標為效率，可反映出空化系數與效率之間的關系，依此可確定出臨界空化系數σ0。

根據以上試驗結果，可以看出：

（1）隨著空化系數的降低，槳葉和導葉之間處的壓力脈動幅值逐漸增大，且當運行至某一空化系數時，出現峰值，其脈動幅值增大了2～3倍，當空化系數小于該值時，壓力脈動將迅速減小。同時，還可看出，此時的空化系數均大于效率開始下降時所對應的臨界空化系數σ0。

（2）隨著空化系數的降低，尾水管處的壓力脈動曲線變化較為平緩，其幅值沒有出現大幅度的波動。

（3）槳葉和導葉之間處的壓力脈動遠超過了尾水管處的壓力脈動，前者的脈動幅值幾乎是后者的2～5倍。

空化系數對槳葉和導葉之間處的壓力脈動幅值影響很大，而對尾水管處的壓力脈動幅值影響很小。為了進行再次驗證，我們改變水輪機運行水頭，在nED=0.95時再次進行了測試。其結果是三處測點的壓力脈動變化趨勢均表現出了與nED=0.8相同的特性。

圖2 空化系數對壓力脈動幅值的影響（槳葉和導葉之間測點1）

圖3 空化系數對壓力脈動幅值的影響（槳葉和導葉之間測點2）

圖4 空化系數對壓力脈動幅值的影響（尾水管處測點）

圖5 空化系數對壓力脈動幅值的影響（尾水管處測點）

由此可以看出，對于水輪機的不同位置，空化系數對脈動的影響程度也存在著差異。燈泡式水輪機具有雙調節機構，在協聯工況下運行，沒有出現類似于混流式水輪機機組明顯的尾水管渦帶，可見空化對燈泡式水輪機尾水管處的壓力脈動影響較小。

同時，對不同空化系數下的壓力脈動主頻進行統計后，發現槳葉和導葉之間處的脈動主頻沒有發生變化。

3.3 協聯關系對壓力脈動的影響

在電站實際運行中，對于燈泡式機組，通常都要求在協聯工況下運行。但由于某些特殊原因或條件限制，有時也需要偏離協聯工況下運行。為此，我們調查了協聯關系對壓力脈動的影響。

圖6 協聯關系對壓力脈動幅值的影響

選取 3 個特征水頭（nED=0.7，nED=0.8，nED=0.95），在每個特征水頭下，選取3個典型葉片角度，分別在協聯和非協聯工況下，進行壓力脈動試驗。其試驗結果如圖6所示。

由此試驗結果，可以看出：

（1）協聯關系對槳葉和導葉之間處的壓力脈動幅值影響較小。

（2）協聯關系對尾水管處的壓力脈動幅值影響很大。當水輪機組在協聯工況下運行時，其脈動幅值最小。在非協聯的情況下，在導葉開度小于協聯導葉開度下運行時，壓力脈動隨著導葉開度的減小，迅速增大；而在導葉開度大于協聯導葉開度下運行時，壓力脈動隨著導葉開度的增大，其幅值變化很小。

同時，對協聯和非協聯工況下的壓力脈動主頻進行統計后，發現槳葉和導葉之間處的脈動主頻沒有變化。

4 結語

（1）轉輪與轉輪室間隙、空化系數、協聯關系對水輪機不同位置的壓力脈動存在著不同程度的影響。對于不同的工況，其產生最大壓力脈動的位置也各不相同。同時，對于水輪機的不同位置，由于各處的引起壓力脈動的脈動源不同，所以影響其脈動大小的主要因素也不盡相同。

（2）轉輪與轉輪室間隙的變化，對槳葉和導葉之間、尾水管處的壓力脈動影響不大。

（3）對于重要工況，應進行不同空化系數下的壓力脈動試驗。其結果可為轉輪設計時空化安全系數的選擇及真機運行提供重要的參考依據，避免發生空化自激現象。

（4）在真機運行過程中，如果需要在非協聯工況下運行，在轉輪葉片角度不變的情況下，適當增大導葉開度，以避免尾水管處出現大幅度的壓力脈動劇增現象。