水泵水輪機無葉區壓力脈動傳遞特性研究

李金偉，于紀幸

（中國水利水電科學研究院，北京市 100048）

0 引言

早年的抽水蓄能電站（以下簡稱抽蓄電站）廠房抗振動設計更為關注廠房整體共振復核和球閥機墩處的局部振動，對廠房局部構件如樓板、立柱以及樓梯等處的振動關注很少，近年來國內抽蓄電站陸續出現廠房強烈振動現象，如張河灣抽蓄電站廠房局部構件振動偏大和噪聲超標[1-3]、蒲石河抽蓄電站廠房局部構件振動偏大和噪聲超標[4，5]、廣州抽蓄電站樓板出現裂縫等問題[6，7]，引起了行業內的高度關注和重視。

抽蓄電站的機組和廠房是一個振動耦合系統，激振源一定來自機組。經統計近十年抽蓄電站機組和廠房振動研究成果，絕大多數抽蓄電站的機組和廠房振動均由水力原因引起，而水力原因與機組內部的壓力脈動有著密不可分的聯系。對于抽蓄機組而言，其轉輪扁平的結構形式和機組整體布局的緊湊性導致無葉區壓力脈動相對比較顯著，這種壓力脈動向機組上下游進行傳遞將給機組部件和廠房局部構件的運行穩定性造成重要影響，可以說無葉區壓力脈動是造成抽蓄電站機組和廠房振動的最為重要因素之一。

因此，開展水泵水輪機無葉區壓力脈動傳遞特性研究，有助于探究活動導葉與轉輪葉片間隙對無葉區壓力脈動混頻幅值和分頻幅值的影響規律，有助于理解機組內部不同位置處壓力脈動之間的聯系和相互影響關系，有助于避免在設計階段出現相位共振等嚴重影響抽蓄電站安全穩定運行的問題，有助于解決抽蓄電站實際存在的一些振動問題，具有非常重要的研究意義和實用價值。

1 機組基本參數

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮附近的甘淘河上，距石家莊市直線距離53km，公路里程77km，距井陘縣城45km。電站總裝機容量1000MW，裝機4臺，單機容量250MW，設計年發電量16.75億kWh。機組基本參數如表1所示[8]。

表1 機組基本參數Table 1 Basic parameters of the unit

2 現場試驗測點與工況

現場主要對機組內部的壓力脈動進行了測試，具體測點為蝸殼進口1個、無葉區（活動導葉后轉輪前）2個、頂蓋下1個，共計4個測點，如圖1所示。

2個變負荷試驗工況如下：

試驗1：上水庫平均水位797.71m，下水庫平均水位471.70m，平均靜水頭326.01m，機組負荷分別為130.5MW、150.6MW、176.1MW、200.7MW、225.5MW、250.7MW；

圖1 壓力脈動測點Figure 1 Measuring points of pressure fluctuation

試驗2：上水庫平均水位788.84m，下水庫平均水位472.60m，平均靜水頭316.24m，機組負荷分別為130.5MW、151.0MW、175.7MW、201.6MW、225.8MW、251.0MW。

現場試驗采樣頻率為2kHz，每個工況下機組運行穩定后數據采集2min。

3 無葉區壓力脈動傳遞特性研究

圖2顯示了靜水頭326.01m不同負荷工況下4個測點的壓力脈動頻譜，可以看出優勢頻率為50Hz（葉片過流頻率）、100Hz（2倍葉片過流頻率）。

圖2 不同負荷工況下的壓力脈動頻譜圖（一）Figure 2 Frequency spectrums of pressure fluctuation under different operation points

圖2 不同負荷工況下的壓力脈動頻譜圖（二）Figure 2 Frequency spectrums of pressure fluctuation under different operation points

50Hz、100Hz壓力脈動成分均來自無葉區，由活動導葉和轉輪葉片之間的動靜干涉所引起，并向上下游進行了傳遞，為了探究不同測點壓力脈動之間的關系，本文分析了4個測點壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值隨負荷的變化趨勢，如圖3所示。

由圖3可以看出：4個測點的壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值隨負荷變化趨勢總體基本一致。隨著負荷的增大，壓力脈動50Hz分頻幅值總體呈遞減趨勢，100Hz分頻幅值先減小后增大。

以無葉區2測點為基準，圖4顯示了蝸殼進口、頂蓋下壓力脈動分頻幅值（50Hz、100Hz）與無葉區2壓力脈動分頻幅值的比值隨負荷變化趨勢。

圖3 壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值隨負荷變化趨勢（一）Figure 3 Variations of pressure fluctuation amplitude versus output for 50Hz and 100Hz

圖3 壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值隨負荷變化趨勢（二）Figure 3 Variations of pressure fluctuation amplitude versus output for 50Hz and 100Hz

圖4 壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值的比值隨負荷變化趨勢Figure 4 Ratio variations of pressure fluctuation amplitude versus output for 50Hz and 100Hz

由圖4可以看出：隨著負荷的增大，蝸殼進口壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值與無葉區2壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢，說明無葉區壓力脈動向上游傳遞的效應不斷增強；頂蓋下壓力脈動50Hz分頻幅值與無葉區2壓力脈動50Hz分頻幅值的比值呈逐漸減小的趨勢，而100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢，說明無葉區壓力脈動50Hz成分向下游傳遞的效應不斷減弱，而由動靜干涉產生的壓力脈動100Hz成分向下游傳遞的效應不斷增強。

以無葉區2測點分頻信號的相位為基準，其他3個測點分頻信號的相位差見圖5。

由圖5可以看出：①2次試驗，4個測點壓力脈動分頻信號相位差變化較小，基本保持不變；②對于50Hz壓力脈動分頻信號，無葉區1、頂蓋下與無葉區2相位差約90°。對于100Hz壓力脈動分頻信號，頂蓋下與無葉區2相位差約135°，無葉區1與無葉區2相位差約180°。

圖5 壓力脈動50Hz、100Hz分頻信號相位差隨負荷變化趨勢Figure 5 Phase differentials of pressure fluctuation signal versus output for 50Hz and 100Hz

4 結論

本文以改造前的張河灣抽蓄電站3號機組為對象，分析研究了無葉區壓力脈動的傳遞特性，主要結論如下：

（1）蝸殼進口、無葉區、頂蓋下測點的壓力脈動分頻幅值（50Hz、100Hz優勢頻率成分）隨負荷變化趨勢基本一致。

（2）隨著負荷的增大，蝸殼進口壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值與無葉區壓力脈動50Hz、100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢，說明無葉區壓力脈動向上游傳遞的效應不斷增強；頂蓋下壓力脈動50Hz分頻幅值與無葉區壓力脈動50Hz分頻幅值的比值呈逐漸減小的趨勢，而100Hz分頻幅值的比值呈逐漸增大的趨勢，說明無葉區壓力脈動50Hz成分向下游傳遞的效應不斷減弱，而由動靜干涉產生的壓力脈動100Hz成分向下游傳遞的效應不斷增強。

（3）不同水頭工況下，隨著負荷的增大，不同測點壓力脈動分頻信號相位差變化較小，基本保持不變。