貫流式水輪機組性能及軸系振動特性的研究

張士昂 陳景俊 張 蓓 李 昊

（天津市天發重型水電設備制造有限公司，天津 300400）

0 引言

導致水輪發電機組性能低以及出現振動的主要因素為水力因素、機械因素和電磁因素。該文基于電站水輪機故障（額定工況水輪機效率低、出力不夠且轉輪區域出現劇烈振動），以水輪機全流道內部流場及軸系濕模態為研究對象，通過計算原機組CFD全流道的數值模擬及軸系的濕模態來研究導致水輪機故障的原因，根據數值模擬結果對葉片進行多次改型和驗證，從而得到具有高性能轉輪且可以避開各種激力頻率的新軸系，進而解決電站所反饋的機組故障問題。

1 建立計算模型

建立水輪機組全流道水體模型和軸系濕模態計算模型，如圖1所示。

圖1 全流道水體計算模型及軸系濕模態計算模型

2 系統控制方程

2.1 水輪機組性能計算方程

水輪機內部流動方程Navier-Stokes方程如公式（1）、公式（2）所示。

式中：為流體密度，kg/m；為時間，s；u、u為時刻、方向上的速度分量（=1，2，3；=1，2，3），m/s；x、x為在、方向上的坐標（=1，2，3；=1，2，3）；是分子黏性系數；R是雷諾應力張量。

對水輪機內部流動的流場進行模擬可以求解轉輪的驅動力矩，還可以求解水輪機的出力，如公式（3）所示。

式中：為水輪機的出力，MW；為轉輪的驅動力矩，N·m；為轉輪轉動的角速度， rad/s。

可以通過計算水輪機進口面和尾水管出口面的能量差得到水輪機水頭，如公式（4）所示。式中：為水輪機進口面與尾水管出口面的能量差，J；為水輪機進出口面的靜壓值，Pa；為網格點的高程，m；為該面上的絕對速度值，m/s；……