莫莫克水利樞紐發電機組水輪機導葉漏水量測試探討

謝 誼

(新疆海天工程監理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 問題的提出

莫莫克水利樞紐是提孜那甫河上控制性水利樞紐工程，兼具防洪、灌溉和發電任務，該水利樞紐水輪機凈水頭均在71-113m變動，為達到水力資源充分利用的目的，必須通過簡單且行之有效的方法進行該水利樞紐發電機組水輪機導葉漏水流量計算。

國家相關規范規定，額定水頭下發電機組水輪機圓柱式導葉流水量應控制在水輪機額定流量的3‰，發電機組水輪機導葉漏水量是進行水輪機制造、安裝質量評價的重要指標，若發電機組水輪機導水機構封水嚴密性存在問題，則會在漏水量增大的同時引發間隙空蝕破壞，甚至導致發電機組無法順利停機，威脅機組運行安全。通常情況下通過真機試驗進行水輪機導葉漏水量評定，但是這方面的計算及測定并無相關規定，在實踐中采用較多的是斜井法、通氣孔法、超聲波法和節流孔板法等，也取得了一些研究成果和實踐經驗。為此，文章采用實踐中應用較多的通氣孔法和充水管流量法分別進行莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉漏水量測試，并進行兩種方法測試結果的比較及具體應用的探討，以確保水利樞紐發電機組高質量穩定運行。

2 導葉漏水量測試

根據對該機組結構的分析，水輪機流道主要包括進水口工作閘門、壓力鋼管、導葉、蝸殼及尾水管等部分，其進水口工作閘門屬于平板門，通過液壓啟閉機開啟，并借助結構自重關閉；設置在工作閘門后方流道結構上的通氣孔則屬于規則形狀的圓柱體；當關閉工作閘門后便主要借助其上方設置的充水管實現對蝸殼和壓力鋼管的充水，將尾水閘門提起后，尾水可直接與大氣連通。

2.1 通氣孔法

莫莫克水利樞紐3#發電機組工作閘門后方設置進水口流道和2個通氣孔，通氣孔直徑D1均為1.8m，進水口底坎和上沿設計高程分別為108m和121.2m。通過監測和分析發電機組工作閘門關閉前后過程不難發現，工作閘門在t0時刻從全開位狀態開始下落，到t1時刻時工作閘門達到較小開度，且水輪機壓力鋼管內進入的水量比導葉漏出水量小，所以造成進水口流道內總水量持續減小，通氣孔中原與上游水位相同的水位及蝸殼壓力均出現下降趨勢；而到t2時刻時工作閘門全部關閉，水輪機流道中由上游水庫所流入的水流被完全截斷，工作閘門漏水量微乎其微，故可忽略不計；到t3時刻時進水口平段流道通氣孔內的水全部漏損完畢，由于通氣孔截面積遠比壓力鋼管截面積小，故水面下降速度減緩，蝸殼壓力曲線也隨之變得平緩。

通過以上分析可以看出，水輪機組蝸殼壓力、壓力表安裝高程及通氣孔水位等變量之間存在函數關系，表示如下：

h=100(P+P′)+Hy

(1)

式中：h為通氣孔水位，m；P為蝸殼壓力，MPa；Hy為蝸殼壓力表讀數誤差，MPa；Hy為壓力表實際安裝高程，m，取62m。當水輪機流道進水口工作閘門處于全開狀態時，h同上游庫水位。而當上游水位達到H01時，根據蝸殼壓力表實際讀數P，便可求出壓力表讀數誤差P′，公式如下：

(2)

t2- t3時段內通氣孔對壓力鋼管的流量均值可根據蝸殼壓力變化進行確定，具體如下：

(3)

通氣孔內水位下降主要由導葉間隙漏水引起，故t2- t3時段內導葉間隙總漏水量應與同期孔內水量減少量相等，且兩者還具有相同的變化率。若當t2- t3時段超出60s，則通氣孔內水流流速對漏水量的影響可忽略不計，此時q1與通氣孔內水位近似相等，且下游尾水位與瞬時漏水流量H02相等。

考慮到莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機蝸殼壓力傳感器實際安裝高程62m比導葉中心高程57m高，故導葉間隙出流主要表現為淹沒出流，且出流流量與導葉兩側通氣孔水位和下游尾水位差之間存在一定函數關系[1]。當工作閘門處于全開狀態且通氣孔水位與上游庫水位相等時發電機組基本為備用狀態，則導葉密封間隙實際漏水量可按下式計算：

(4)

式中：H1為上游庫水位，m；H2為下游尾水水位，m；H為水輪機凈水頭，m，H=H1-H2。

自定義莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉漏水流量系數為β1，表示如下：

(5)

則有：

(6)

對于莫莫克水利樞紐3#發電機組而言，其導葉漏水流量系數β1的大小主要取決于工作閘門完全閉合后通氣孔內水量變動情況、上游庫水位及下游尾水水位，且與水輪機凈水頭H無直接關系，故以上所推導出的(6)式對于任意水頭下導葉漏水量均適用。值得注意的是，壓力鋼管截面主要為圓形設計，為降低實際分析過程及結果誤差，應使t3時段盡可能靠前，并將t2- t3時段控制在30s左右。如遇較大的導葉漏水量，則會加速蝸殼壓力下降，t2- t3時段也相應較短，甚至工作閘門尚未完全閉合，通氣孔內水量已全部漏損，此時文章方法計算結果的誤差較大。

2.2 充水管流量法

打開充水閥并使工作閘門和導葉均關閉，通過充水時間的延長使導葉漏水流量和充水管流量達到平衡，并使通氣孔內水位趨于穩定。此種情況下充水管內淹沒出流便表現出明顯的有壓管內恒定流形態，根據通氣孔內水位實測值進行充水管流量值的推算。莫莫克水利樞紐3#發電機組進水孔口實際尺寸為9.2m×13.2m，且其面積大于工作閘門充水管截面積(0.246m2)，故進行水輪機導葉漏水量測試時可忽略工作閘門上游水流行進流速及閘門后壓力鋼管水流行進流速。充水管流量表示如下：

(7)

(8)

式中：q2為充水管流量，m3/s；μc為沖水管流量系數；A為水輪機工作閘門充水管截面積，m2；g為重力加速度，m/s2；z為水輪機工作閘門前后實際水位差，m，即上游庫水位H01與通氣孔內水位h01差；λ為水輪機充水管內水流沿程實際阻力系數；l為充水管長，m；d為充水管直徑，m；∑ξ為充水管局部水頭損失系數和。考慮到3#發電機組水輪機流道水量處于平衡狀態，故充水管流量q2與導葉漏水流量相等。

考慮到莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉實際安裝高程與下游尾水水位的關系，導葉密封間隙出流表現為淹沒出流，導葉間隙漏水流量與通氣孔水位、下游尾水水位差之間表現為一定函數關系[1]。當機組工作閘門全開、通氣孔實際水位低于上游庫水位的過程中，應按下式確定導葉密封時的漏水流量：

(9)

自定義莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉漏水流量系數β2，表示如下：

(10)

則可得：

(11)

流道平衡時所測得的數據是影響該發電機組水輪機導葉漏水流量系數β2的主要因素，其不受機組凈水頭影響，故推導出的(10)式適用于任意水頭下導葉漏水量的計算。莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機工作閘門充水管實際長度l為1.87m，工作閘門充水管直徑d為0.56m，其主要采用鍍防腐層鋼管材料，壁面當量粗糙度△≈0.15mm，故雷諾數可按下式計算：

Re=vd/ν

(12)

式中：Re為雷諾數；v為工作閘門達到平衡狀態時水流流速，m/s，取12.53m/s；ν為10℃環境下水的運動黏滯性系數，cm2/s，取1.335×10-2cm2/s。所得出的雷諾數為5.25×106，根據莫迪圖可以得出，充水管內水流沿程阻力系數λ為0.0145[2]。由于該發電機組水輪機充水管入口為圓錐形設計，故充水管局部水頭損失系數ξ1取0.2；彎肘段局部水頭損失系數ξ2取0.294；出水表現為淹沒出流，則出口位置局部水頭損失系數ξ3取1.0；則∑ξ=ξ1+ξ2+ξ3=0.2+0.294+1.0=1.494。

將以上參數及取值帶入式(7)便可得出：

(13)

該式的得出使得莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉漏水量的計算過程更為簡化。

3 導葉漏水量比較及應用

3.1 導葉漏水量比較

將實際數據分別帶入式(6)和(11)便能將不同庫水位、不同觀測時間下的測量數據轉換為相同庫水位下的發電機組水輪機導葉漏水流量，從而實現同環境、同時間內不同機組導葉漏水量的對比分析。雖然上述自定義莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉漏水流量系數β1和β2表達式不同，但均體現的是凈水頭與漏水流量之間的關系，單位相同，量綱一致，具有可直接比較屬性。為此可將式(6)和(11)統一表示如下：

(14)

通過進一步分析β1和β2兩個系數的計算過程可以看出，該系數主要取決于水輪機導葉實際密封狀態，且與水輪機水頭等參數無管，并能體現導葉實際密封狀態。

3.2 實際計算

根據莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機工作閘門快速關閉趨勢圖，2020年4月5日其上游庫水位及下游水位分別為1865.3m和865.4m，在90s的時間段內蝸殼壓力從0.901MPa快速降至0.579MPa，則通過式(5)可以得出β1為0.212m5/2/s。由莫莫克水利樞紐3#發電機組流道充水平壓過程趨勢圖可知，2020年4月26日其上游庫水位及下游水位分別為1861.84m和862.3m，達到平衡狀態時閘門前后水位差為6.0m，則應用式(10)可以得出β2為0.223m5/2/s。分別按照以上兩個導葉漏水流量系數所計算得導葉漏水流量值僅相差5%，根據相關規范，文章所提出的兩種導葉漏水流量計算方法計算結果誤差小、準確度高[3]。

3.3 導葉密封檢修

正常密封狀態下水輪機導葉漏水流量系數范圍可以根據水輪機額定水頭、額定流量等進行計算，將實際測量結果和計算結果進行比較，以評估水輪機導葉密封效果。按照相關規范，圓柱式導葉漏水量在額定水頭下應不超出水輪機額定流量的3‰。莫莫克水利樞紐3#發電機組額定水頭85m，額定流量960m3/s，在此額定水頭下水輪機導葉最大漏水流量為2.88m3/s，則可得出導葉漏水流量系數β的最大值為0.312m5/2/s，該值與以上所計算出的β1=0.212m5/2/s和β2=0.223m5/2/s值均較為接近，表明莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉密封符合相關規范。該樞紐工程每年均采用實地測量方式進行導葉密封情況的檢修和評估，檢修過程中主要將水輪機過水流道的水排空，并實際測量其間隙大小，這種常規性的做法涉及流道進人門開啟、排水等操作，工序復雜，費時費力。而采用文章所提出的計算方法，根據所得出的導葉漏水流量系數β的取值進行導葉實際密封效果評價，既能保證評價結論的準確性，又能克服常規檢修方法的弊端，節省成本，提升工效。

4 結 論

綜上所述，分別采用通氣孔法和充水管流量法進行了莫莫克水利樞紐3#發電機組水輪機導葉漏水量測試，根據對測試結果的比較表明，兩種方法所得結果十分接近且均正確可信，能夠滿足該水利樞紐發電機組水輪機在不同水頭下導葉漏水流量計算要求；所提出的導葉漏水流量系數參數可客觀反映導葉實際密封情況，并可取代常規導葉密封檢修方式，簡化檢修過程，提升檢修工效。