近年來水輪機模型試驗技術的發展

趙 越, 呂延光, 黎 輝, 吳可君

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

近年來水輪機模型試驗技術的發展

趙 越, 呂延光, 黎 輝, 吳可君

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

水輪機是一門理論分析和試驗研究相結合的學科，世界水電研究領先公司和科研機構，在重視流體動力學分析（CFD）技術和手段的同時，無一不重視模型試驗測試技術的提高和模型試驗研究等關鍵環節。本文介紹了近年來國內在水輪機模型試驗中的技術研究和技術進步。

水輪機; 模型試驗; 技術研究; 技術進步

1 前言

自1998年三峽水輪機技術引進以來，十年間國內水輪機模型試驗技術取得了長足的進步。國內具有水輪機研發能力的企業及研究機構均在提高試驗能力、擴展研究領域、加深研究力度、全面同國際接軌和確保試驗結果的可靠性等方面做了大量的工作并取得了可喜的成績。

本文將就近年來國內水輪機模型試驗技術的相關進步做一簡要介紹。

2 試驗能力的提高

作為水輪機模型試驗基礎的高水頭閉式水輪機模型試驗臺數量的多寡，在某種程度上代表著水輪機開發能力和水輪機模型試驗能力的高低。世界上任何一家著名的水電制造企業都擁有多座水輪機模型試驗臺。在重視模型試驗臺數量的同時，各國水輪機制造商還都特別注重水輪機模型試驗臺的專用性。根據水輪機的比轉速不同，一般軸流式（貫流式）和混流式模型水輪機都在各自專用的試驗臺上進行試驗。

近年來，國內具有自主研發能力的企業及研究機構均對其原有的水輪機模型試驗臺進行了改造并盡最大可能新建了一批專用水輪機模型試驗臺。

哈爾濱電機廠有限責任公司(以下簡稱哈電)在90年代中后期將上世紀80年代前期建設的國內第一座高水頭水力機械通用試驗臺（高I臺）進行了測試系統和電氣拖動系統的技術改造，使其更加符合當前水輪機模型試驗的要求外，還于90年代后期建設了水力機械高水頭試驗II臺（高II臺），并于2000年投入商業運行。與高I臺這樣的水力機械通用試驗臺不同的是，高II臺是一座專用的水輪機模型試驗臺。如圖1所示，高II臺的兩個工位分別按照不同類型水輪機的模型試驗要求設計。A工位（圖中右側）專門用于混流式水輪機和水泵水輪機的模型試驗研究，而B工位（圖中左側）則專門用于軸流式水輪機和貫流式水輪機的模型試驗研究工作。目前，哈電擬新建四座專用的水輪機模型試驗臺，第一期建設兩座，將分別用于貫流式（軸流式）和水泵水輪機的研究，預計2010年投入運行。

東方電機有限公司（以下簡稱東電）也在本世紀初對其原有的高臺和大流量試驗臺進行了測試系統和電氣拖動系統的改造，并正在新建四座新的水輪機模型試驗臺。

中國水利水電科學研究院在北京大興試驗研究基地新建了三座水力機械通用試驗臺，用于進行第三方中立試驗及相應的研發工作。

上述企業及研究機構對已有試驗臺的技術改造尤其是一大批新試驗臺的建設，極大地提高了國內水輪機模型的試驗能力。

圖1 哈電水力機械高水頭試驗II臺系統

3 水輪機模型試驗研究領域的拓展

3.1 由單純的外特性研究發展為兼顧外特性和內特性的研究

水輪機的能量特性、空化特性、飛逸特性和壓力脈動特性是水輪機內部流動規律的外部表現，通常又被稱為水輪機的外特性。傳統的水輪機模型試驗是對模型水輪機的能量特性、空化特性、飛逸特性和壓力脈動特性進行研究，并以此推知與模型水輪機幾何模擬的原型水輪機的相應的性能特性。此即為外特性試驗。由于外特性試驗無法直接揭示水輪機性能變化的原因，因此，以轉輪葉道渦、轉輪葉片正背面脫流和葉片出口可見卡門渦觀測為代表的水輪機內特性研究就越來越成為模型水輪機試驗研究的重要領域。

為此，國內具有研發能力的制造廠家及研究機構均開發了用于水輪機內特性研究的模型水輪機流態觀察成像系統。通過高清晰視頻圖像對模型水輪機轉輪進出口和尾水管錐管處的流動情況加以研究。

圖2為某模型水輪機轉輪進出口處的流動情況：其中左側大圖為水輪機轉輪葉道渦的情況，右上圖為水輪機轉輪出口流動情況，右下圖為尾水管渦帶情況。圖3所示的水輪機模型特性曲線上標出了轉輪葉片正背面脫流、葉道渦和葉片出口處卡門渦的情況。

隨著對水輪機內特性研究能力的提高，水輪機內特性的研究已成為水輪機模型試驗研究的一項常規項目。水輪機內特性試驗為空化、穩定性和轉輪裂紋的研究開辟了一條新的途徑，使水輪機模型試驗技術進入到了兼顧內外特性研究的新階段。

圖2 模型水輪機轉輪進出口處的流動情況

3.2 由單純的穩態過程研究發展為通過穩態研究來解決某些瞬態過程的問題

從傳統意義上講，水輪機模型試驗所研究的問題均為水輪機穩態過程中的現象，由于引水系統和調節過程中時間常數的不同，在常規的水輪機模型試驗臺上無法進行水輪機瞬態過程的試驗研究。

隨著對水輪機基本規律認識的深入及試驗技術的進步，某些原本無法采用穩態試驗結果研究的瞬態過程現象，也開始嘗試利用穩態試驗的結果加以研究。

哈電針對某電站水輪機曾發生過在大波動過程即將結束時出現抬機及劇烈振動現象，在優化導葉關閉規律的同時，還在模型試驗臺上開展了利用水輪機穩態過程的研究來探索瞬態過程中不穩定機理的工作。首先，對該混流式水輪機的四象限特性，特別是在機組出現不穩定現象的極小導葉開度時的水輪機制動和反水泵工況的特性進行了研究。然后，將原型機實際的導葉關閉軌跡點繪制在上述水輪機四象限特性曲線上（如圖 4所示）。從圖中可以發現，在現有的關閉規律下，當模型水輪機導葉開度關閉至3～6mm時，水輪機從制動工況進入到了反水泵工況，從而發生了抬機現象；而隨著導葉進一步關閉，水輪機從反水泵工況進入到準零流量狀態，引發水錘現象從而引起劇烈地振動。根據上述原因提出的導葉關閉規律，在最后一段關閉時適當延長了關閉時間。采取上述措施后，該水輪機甩負荷時再也沒有出現抬機及劇烈振動現象。

雖然上述案例僅為個案，但卻為通過對水輪機的穩態研究來解決某些瞬態過程發生的問題提供了一個良好的開端。

圖3 帶流態觀察結果的模型特性曲線

圖4 某水輪機的四象限特性曲線（局部）

4 相關領域研究的深入

在積極拓寬研究領域的同時，水輪機常規模型試驗項目壓力脈動、空化、效率和飛逸轉速等方面的研究深度都有了長足的進步。

4.1 壓力脈動研究的深入

4.1.1 壓力脈動試驗儀器完成了由靜態傳感器到動態傳感器的轉變

模型水輪機壓力脈動測量長期以來一直采用靜態傳感器。在傳感器技術日臻完善的今天，由于動態傳感器的性能已足以滿足水輪機模型試驗的要求，國內各有實力的水力試驗室在進行水輪機模型試驗研究時都全面采用了動態傳感器進行壓力脈動的測量。采用頻率響應范圍更高的動態傳感器及相應的測量系統后，可以在更寬的頻率范圍內對水輪機壓力脈動現象進行研究。

4.1.2 不同空化基準情況下的壓力脈動研究

由于空化基準面是對應于空化的發生位置來選擇的，而發生最大空化的位置不一定在機械基準面上，這就會導致空化基準面與機械基準面位置的不同。針對此種情況，國內各研究機構都曾進行過在不同的空化基準下的水輪機壓力脈動試驗研究。該項試驗研究為保證水輪機的安全運行提供了試驗數據。

4.1.3 高部分負荷壓力脈動現象的研究

對于像三峽水輪機這樣的巨型機組，由于其相應部件結構尺寸的增大，其相對剛度和固有頻率勢必隨之下降。而在高部分負荷出現、壓力脈動幅值較高且主頻高于 1倍轉頻的高部分負荷壓力脈動現象由于其具有較高的能量，特別是其主頻高于機組的轉頻，使機組某些結構部件與水力頻率發生共振的幾率大為提高。為保證大型、巨型機組的運行穩定性和安全性，哈電、東電等制造企業對高部分負荷壓力脈動現象都進行了深入地研究并對高部分負荷壓力脈動發生、發展的一般規律有了一定的認識。哈電生產的三峽右岸水輪機在整個運行范圍內沒有高部分負荷壓力脈動現象發生。

4.1.4 對水輪機模型與原型間壓力脈動幅值關系的研究取得階段性成果

通常認為，由于水輪機模型與原型間與外界的各種相互作用或其流體特性不同，原型壓力脈動幅值與直接由模型試驗轉換過來的值有很大差異，即無法建立起模型與原型之間的壓力脈動幅值間的關系。而通過對模型與原型測點位置嚴格對應的三峽水輪機的壓力脈動幅值的研究（如圖5所示）可以發現，在中高出力時，模型與原型的壓力脈動幅值的變化趨勢基本相同，而在低負荷時，可能由于流動情況比較復雜，模型與原型間的對應關系并不十分明顯。該項研究證實了在水輪機長期運行的中高負荷區域，水輪機模型與原型間的壓力脈動幅值的變化趨勢是一致的，這就為通過模型水輪機的壓力脈動研究原型水輪機的穩定性提供了試驗依據。

4.1.5 壓力脈動隨吸出高度的變化規律的研究

為保證水輪機壓力脈動在吸出高度變化范圍內都能處在可接受的范圍內，進行了壓力脈動隨吸出高度變化的研究。壓力脈動隨吸出高度的變化趨勢如圖 6所示，在一定的吸出高度變化范圍內，水輪機壓力脈動幅值基本不發生變化，隨著吸出高度的進一步降低，水輪機壓力脈動幅值會呈現一種隨著吸出高度的降低而不斷增大的趨勢，壓力脈動達到最大值后，又隨著吸出高度的降低而降低直至恢復到基本不隨吸出高度的降低而變化的狀態。該項研究為合理選擇水輪機安裝高程及保證水輪機的長期穩定安全運行奠定了理論基礎。

圖5 機組出力與壓力脈動幅值關系曲線

圖6 吸出高程與壓力脈動幅值關系曲線

4.2 空化研究的深入

常規的空化研究是通過研究諸如效率、流量和振動噪聲等水輪機外特性的變化而確定空化現象的發生，此時，空化現象已達到相當規模足以影響到水輪機的外特性。而隨著水輪機大型化、巨型化程度以及對水輪機無空化運行要求的不斷提高，對水輪機，特別是水輪機轉輪葉片吸力面上何時何處開始發生空化的研究，即初生空化現象的研究就顯得十分重要了。

初生空化現象發生時并沒有引起上述外特性的顯著變化，只能在模型試驗中利用尾水錐管透明段及頻閃同步技術，確定何種工況下轉輪葉片吸力面上何處有氣泡初生，即發生初生空化現象。根據初生空化現象的觀測結果，可以適當地對水輪機進行局部修型，以達到避免在該處發生氣泡的作用；另外，還可以依此適當地調整水輪機運行范圍來保證水輪機在運行范圍內無空化運行。

初生空化現象的研究，使水輪機空化研究不僅能通過外特性進行研究，還能夠對內特性和外特性同時進行研究，不僅可以從外部表象上探知空化現象，更重要的是，能夠從發生機理層面對空化現象進行分析，從而使對空化現象的研究上升到一個更高的層次。

4.3 模型水輪機效率試驗和飛逸轉速試驗的進步

4.3.1 電站空化系數下的模型水輪機效率試驗和飛逸轉速試驗

常規的模型水輪機效率和飛逸轉速試驗都是在高空化系數下進行的。雖然在高空化系數下進行的模型水輪機效率和飛逸轉速試驗在工程上已經具有足夠的精度，但由于在電站空化系數下進行模型水輪機的效率和飛逸轉速試驗更能反應原型水輪機的真實運行情況，且目前水輪機模型試驗臺的技術水平已完全具備在電站空化系數下進行模型水輪機的效率和飛逸轉速試驗的能力，故而目前模型水輪機的全部效率試驗及飛逸試驗的若干關鍵特征點試驗都在目標電站空化系數下進行。

對于特定電站而言，在其電站空化系數下進行模型水輪機的效率和飛逸轉速試驗不但保證了試驗資料的專有性，更重要的是模型試驗結果更接近于原型機的實際運行情況。這對模型試驗技術而言無疑是一項進步。

4.3.2 考慮機組摩擦損失和風損計算的模型水輪機飛逸轉速試驗

常規的模型水輪機飛逸轉速試驗通常采用內插法來得出水輪機的飛逸特性。如果直接按照模型試驗的結果換算到原型機上，則由于沒有考慮原型機所受到的各種摩擦損失而使預期的原型機飛逸轉速偏大，給發電機設計造成不必要的困難。

目前，在進行模型水輪機飛逸轉速試驗時，特別是在最大飛逸轉速左右處，除進行內插法所必需的零力矩附近的常規測量外，還專門增加了力矩接近零處的測量點數，如圖 7所示。在換算到原型機時，按照模型試驗結果獲得的機組在飛逸轉速附近處的出力變化趨勢曲線與機組摩擦損失和風損之和的曲線的交點處的飛逸轉速即為機組預期的飛逸轉速。按此方法獲得的機組預期的最大穩態飛逸轉速為 n ′Rmax,P，較常規的換算方法降低了（nRmax,P- n′Rmax,P），如圖8所示。此方法從原理上講更趨合理，計算出的機組預期飛逸轉速更接近實際值。

圖7 飛逸轉速試驗曲線

圖8 考慮機組摩擦損失和風損的原型水輪機飛逸轉速的確定

5 結語

作為水輪機研發重要手段的水輪機模型試驗技術是水輪機行業中發展最迅速的領域之一。近年來國內各企業及研究機構的模型試驗技術不論是在試驗能力、研究范圍還是研究深度上都有了長足的進步。原已居世界先進水平的水輪機模型試驗技術又上了一個更高的臺階。

[1] IEC60193-1999（second edition）, Hydraulic turbines,storage pumps and pump-turbines-Model acceptance tests[S].

[2] 哈爾濱大電機研究所. 水輪機設計手冊[M]. 北京:機械工業出版社, 1976.

The Technology Research and Progress of Model Turbine Test in Recent Years

ZHAO Yue, LU Yan-guang, LI Hui, WU Ke-jun
（Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China）

Hydraulic turbine is a combination subject of theory analysis and test research. CFD is the major technology method, at the mean time, the world advanced hydro-power company and science research institute pay more attention to improve the ability of measurement technology and model test research. This test will introduce the technology research and progress of model test in recent years.

hydraulic turbine; model test；technology research; technology progress

TK730

B

1000-3983（2010）01-0041-05

2008-08-27

趙越（1967-），1988年畢業于吉林工業大學機械制造工藝設備及自動化專業，一直從事水輪機模型及原型機測試工作，高級工程師。