混流式水輪機壓力脈動與振動穩(wěn)定性研究進展

桂中華，常玉紅，柴小龍，王 勇

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100073）

0 前言

混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的振動，關(guān)系到機組能否正常運行，是水利水電建設(shè)中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。由于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片是不可調(diào)的，在非設(shè)計工況下，轉(zhuǎn)輪葉片的進口邊附近將會發(fā)生脫流。脫流產(chǎn)生后，容易使這個區(qū)的水流變得不穩(wěn)定而引起壓力脈動，同時轉(zhuǎn)輪葉片出口漩流會在尾水管中形成渦帶，尾水管渦帶在周期性非平衡因素的影響下產(chǎn)生偏心，這種偏心的渦帶運動產(chǎn)生的壓力脈動[1]，通過反射、傳遞作用于轉(zhuǎn)輪葉片。混流式水輪機在多種水力激振力的共同作用下，產(chǎn)生葉片壓力脈動和自激振動，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致葉片裂紋，威脅機組的安全運行。近年來，國內(nèi)外多家水電站相繼出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪葉片振動與裂紋，如俄羅斯的薩陽、美國的大古力，我國的巖灘、天生橋2級、李家峽、五強溪、大朝山等，水力穩(wěn)定性誘發(fā)水輪機的振動問題引起了行業(yè)界的普遍關(guān)注[2]。進入21世紀(jì)后，我國有一大批容量為700MW的特大型機組陸續(xù)投入運行，一旦發(fā)生振動或裂紋問題，其影響和危害將更為嚴(yán)重[3]。為了確保機組的安全可靠運行，必須加強對機組穩(wěn)定性的研究。因此，開展混流式水輪機壓力脈動和動應(yīng)力的試驗和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)研究，掌握水輪機內(nèi)部壓力脈動規(guī)律，對認識機組出現(xiàn)穩(wěn)定性不良和裂紋的深層原因，確保大機組安全可靠運行，具有十分重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用前景。

1 水輪機壓力脈動與水力穩(wěn)定性模型試驗研究進展

混流式水輪機壓力脈動是導(dǎo)致機組振動的主要原因之一。模型試驗是研究水輪機壓力脈動的重要手段之一。目前，國內(nèi)的水輪機模型試驗臺主要有水科院水力機械測試試驗臺、東方電機水力機械測試試驗臺及哈爾濱電機的水力機械測試試驗臺，三個試驗臺主要用于水輪機的模型驗收試驗，側(cè)重于水輪機尾水管渦帶的觀測及壓力脈動的研究。水輪機水力不穩(wěn)定性已經(jīng)得到國內(nèi)外的重視，均已著手開展相關(guān)的研究工作[4]。1992年巴基斯坦的塔貝拉電站的水輪機發(fā)生事故后，研究者認為振動裂紋主要是由葉道渦所引起，從此葉道渦引起了學(xué)者的注意。國內(nèi)學(xué)者通過模型試驗對葉道渦的發(fā)生、發(fā)展等過程進行了詳細觀測與記錄。但迄今為止，用常規(guī)的壓力脈動測試方法，無論在真機或模型試驗中，均未檢測到葉道渦壓力脈動及頻率[5][6]。為什么用通常的模型試驗方法測不到發(fā)生葉道渦時相應(yīng)的壓力脈動？可能的原因是葉道渦壓力脈動值不大或壓力脈動到轉(zhuǎn)輪出口處就迅速衰減了，或各個葉片間同時流出的葉道渦互相抵消了。對此，水科院開展了下列試驗，在緊接轉(zhuǎn)輪葉片出口處設(shè)置了一個測點，與常規(guī)的尾水管測點進行了比較。發(fā)現(xiàn)緊接轉(zhuǎn)輪葉片出口的壓力脈動值確實普遍大于常規(guī)的從尾水管管壁測點處測得的值，特別是在較小開度發(fā)生葉道渦的工況內(nèi)，緊接轉(zhuǎn)輪出口處的壓力脈動值約為0.4D處壓力脈動值的3～5倍[7]，研究表明在轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的壓力脈動值有可能大大超過從尾水管管壁處測得的值。此外，大朝山機組出現(xiàn)的裂紋后，卡門渦引起的機組共振被認為是禍因，卡門渦的危害也為國內(nèi)機組穩(wěn)定性研究所重視，但目前對卡門渦的校核還主要依據(jù)平板流動的結(jié)果，對于轉(zhuǎn)輪環(huán)列葉柵的研究較少。三峽機組由于機組參數(shù)的提高，高部分負荷壓力脈動（特殊水壓脈動）問題逐漸凸顯，但是目前對此進行的研究還較少。另外，對小負荷不穩(wěn)定區(qū)存在的撞擊、脫流、葉道渦等水力不穩(wěn)定因素的脈動特性研究甚少。

在國外，目前開展水輪機水力穩(wěn)定性及水力激振的研究的試驗臺主要集中在歐洲的水力機械試驗臺，如法國阿爾斯通水力機械試驗臺和瑞士的洛桑水力機械試驗中心。法國格勒諾布爾國立理工學(xué)院 Gabriel Dan等利用 LDV(激光多普勒測速儀)和不穩(wěn)定全壓探針設(shè)備對水泵水輪機導(dǎo)葉至轉(zhuǎn)輪之間的流態(tài)及壓力脈動進行測量，對水泵和水輪機兩個狀態(tài)下的部分負荷、最優(yōu)效率和超負荷工況下的轉(zhuǎn)動部分與固定部分的相互作用關(guān)系進行了研究[8]。洛桑水力機械試驗中心從2006年開始，該試驗臺陸續(xù)開展了水泵水輪機的S型特性、壓力脈動及水力激振特性研究，如在2010年，Hasmatuchi等利用高速攝影分析了水泵水輪機在空載工況活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的流體流態(tài)的觀察，圖1為瑞士洛桑水力機械試驗中心的水泵水輪機無葉區(qū)高速攝像測量結(jié)果，通過試驗分析了不同工況條件無葉區(qū)旋渦的產(chǎn)生及渦形態(tài)變化等[9]。近年來，國外開始對模型轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動展開了研究，M. FARHAT等針對一低水頭混流式水輪機，開發(fā)了轉(zhuǎn)輪葉片測試裝置（如圖2所示），并進行了葉片壓力脈動和動應(yīng)力的測試研究，這些研究成果都具有較高的參考價值[10]。

圖1 瑞士洛桑水力機械試驗臺高速攝像測量結(jié)果圖

圖2 國外轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動測試裝置

2 水輪機壓力脈動與振動的數(shù)值模擬研究進展

尾水管壓力脈動預(yù)測一直是水輪機數(shù)值模擬研究的熱點之一。隨著計算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬手段近幾年被廣泛用于水力機械的水力穩(wěn)定性和水力振動分析。特別是在水輪機尾水管數(shù)值模擬方面，研究已取得較大進展。如Ales Skotak利用大渦模擬對擴散管內(nèi)的低壓渦帶進行數(shù)值模擬和分析[11]。VATECH Hydro的 Sulzer于 2002年利用CFX-TASCFlow對混流式水輪機和可逆式水輪機的尾水管進行非定常解析，并將其結(jié)果與實驗對比，發(fā)現(xiàn)所計算得到的渦帶所引起的壓力脈動的幅值和頻率和試驗中所測得非常相似。同時Voith-Siemens的Thomas ASCHENBRENNER和Albert RUPRECHT（2002）也利用改進的κ-ε模型和大渦模擬方法，對尾水管中渦帶進行模擬，并對兩種模型得到的結(jié)果進行比較[12]。GE能源的Thi C. VU等（2006）對水輪機內(nèi)部靜動翼間的干涉、部分負荷下尾水管內(nèi)渦帶、固定導(dǎo)葉后的卡門渦列等幾種非定常流動進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合模型、原型試驗數(shù)據(jù)評估壓力脈動數(shù)值預(yù)測的精度[13]。吳玉林教授（2000）應(yīng)用RNGκ-ε湍流模型，對混流式模型水輪機進行了非定常計算，預(yù)測尾水管壓力脈動[14]。周凌九博士采用同樣的模型對尾水管非定常流進行了計算，證實了尾水管內(nèi)部渦帶形成與轉(zhuǎn)輪出口周速度、轉(zhuǎn)輪出口回流大小等相關(guān)[15]。肖若富（2004）也對尾水管內(nèi)的低壓渦帶進行數(shù)值模擬和分析（圖4 為預(yù)測的尾水管渦帶和壓力脈動），對尾水管中低壓渦帶的形成和其運動規(guī)律進行分析[16]。筆者曾（2006）利用雷諾應(yīng)力模型對混流式水輪機彎肘型尾水管內(nèi)水流流動進行了長時間非定常流計算，研究尾水管內(nèi)死水域與渦帶的不規(guī)則運動（如圖5所示），預(yù)測尾水管的不規(guī)則壓力脈動并分析其頻率特性[17-19]。高忠信等2009年采用全流道三維非定常流動數(shù)值模擬方法,研究了混流式水輪機渦帶的壓力脈動現(xiàn)象，并將壓力脈動計算頻率與試驗測量進行了對比[20]。2013年錢忠東等研究得出 Transition SST模型比 RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、DES模型對水輪機壓力脈動模擬的適應(yīng)性更好,在不同網(wǎng)格尺度下預(yù)測的壓力脈動主頻、振幅和試驗結(jié)果更加吻合[21]。

隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，對于水輪機水力穩(wěn)定性的研究，除尾水管渦帶壓力脈動外，其他水力不穩(wěn)定因素的數(shù)值模擬也逐漸引起了研究者的重視。2007彭玉成針對三峽機組小開度異常振動現(xiàn)象，采用動態(tài)數(shù)值模擬的方法研究水輪機內(nèi)部水壓脈動特征及產(chǎn)生的機理[22]。李偉對混流式水輪機轉(zhuǎn)輪進行了三維非定常流動模擬計算，研究分析了不同工況下的葉道渦情況，并獲得了各測點壓力脈動的頻率特性[23]。2010年錢忠東等人對利用CFD對非同步導(dǎo)葉下對于混流式水輪機的壓力脈動進行了分析，主要針對非同步導(dǎo)葉對于尾水管、無葉區(qū)以及蝸殼及導(dǎo)水機構(gòu)中壓力脈動影響進行研究[24]。2011年冉紅娟等針對可逆式水輪機泵工況下駝峰現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬，研究了低壓邊的流態(tài)、進口漩渦等對于水泵水輪機的駝峰現(xiàn)象的影響[25]。2012年姚楊等對1000MW模型水輪機小開度工況內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，通過定常和非定常手段研究水輪機內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)和壓力脈動特性，并通過改變導(dǎo)葉弦長，考察了不同的導(dǎo)葉搭接量對水輪機小開度穩(wěn)定性影響[26]。

從近些年國內(nèi)、外發(fā)表的水輪機非定常流數(shù)值模擬方面的文獻來看，在尾水管壓力脈動數(shù)字預(yù)估方面也取得了較大的進展，數(shù)值模擬方法在一定程度上也可以預(yù)報振動的頻率與幅值大小，但其預(yù)測振動幅值與真機存在差異；另外由于水輪機小開度工況、葉道渦等不穩(wěn)定因素的試驗資料很少，相關(guān)的壓力脈動數(shù)值模擬研究還處于探索階段，壓力脈動的預(yù)測結(jié)果離工程實用還有一定的距離。目前CFD數(shù)值模擬的計算結(jié)果在最優(yōu)效率范圍附近有比較高的精度，在偏工況情況下，盡管也能反映起流動特點但誤差比較大。因此，提高偏工況，特別是部分負荷下的CFD數(shù)值模擬計算精度是進一步優(yōu)化轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性能，降低運行范圍內(nèi)壓力脈動值的關(guān)鍵技術(shù)。

3 水輪機轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力與葉片振動的研究進展

水輪機葉片動應(yīng)力測試是解決葉片振動與裂紋的關(guān)鍵技術(shù)之一。水輪機轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力測試研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始，由于受當(dāng)時硬件條件和測試技術(shù)的限制，傳感器輸出信號從旋轉(zhuǎn)部件向固定的測試儀器的傳送采用滑環(huán)、電容或電感發(fā)射機、電磁波發(fā)射機等傳送裝置，由于這些傳送裝置的噪聲，限制了整個測量系統(tǒng)的測量精度，影響了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。近年來，隨著測試技術(shù)的發(fā)展，以及轉(zhuǎn)輪裂紋問題的不斷出現(xiàn)，國際上著名的水電集團公司如ALSTOM、VOITH SIEMENS、GE、AO“LMZ”(列寧格勒金屬工廠生產(chǎn)聯(lián)合體)等，在分析和處理轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題時，利用新的測試裝置開展了相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪應(yīng)力現(xiàn)場測試。同時水科院研發(fā)了水輪機旋轉(zhuǎn)部件動應(yīng)力機載現(xiàn)場測試系統(tǒng)，并在敘利亞的什林、大唐巖灘、大理華能徐村等多個水電站的現(xiàn)場實測中得到成功應(yīng)用[27]。瑞士洛桑理工學(xué)院水力機械實驗室和法國 ALSTOM 公司合作針對巴西一低水頭混流式水輪機開展了轉(zhuǎn)輪葉片壓力脈動和動應(yīng)力測試，利用測試結(jié)果在改進水輪機水力計算和設(shè)計方面取得了一些初步成果[28]。這些研究極大地促進了動應(yīng)力測試技術(shù)的進步，為轉(zhuǎn)輪裂紋的原因分析和處理方案提供了有力的技術(shù)依據(jù)。

另外，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別是近些年來，許多大型通用和專用的有限元分析軟件的發(fā)展，國內(nèi)高校、研究所開展了水輪機轉(zhuǎn)輪應(yīng)力計算方面的工作。王正偉和羅永要等人利用順序耦合方法計算了混流式水輪機轉(zhuǎn)輪在各工況下的靜應(yīng)力，并分析了工況變化的快慢對于混流式水輪機動應(yīng)力的影響[29]。肖若富對高水頭小負荷的渦帶工況下，混流式水輪機內(nèi)流場進行全流道非定常CFD計算，得到不同時刻的轉(zhuǎn)輪葉片水壓力載荷，并利用順序流固耦合方法，對水輪機轉(zhuǎn)輪進行瞬態(tài)結(jié)構(gòu)場計算，分析轉(zhuǎn)輪葉片在高水頭小負荷的典型渦帶工況下的動應(yīng)力特性。目前，利用流固耦合方法已能對水輪機轉(zhuǎn)輪在各種工況下的靜應(yīng)力特性進行較好計算，計算結(jié)果與測試值具有較好的吻合性；但數(shù)值計算還不能完全準(zhǔn)確預(yù)估動態(tài)應(yīng)力，特別是在機組運行過程中發(fā)生各類水力共振時[30,31]。

從當(dāng)前水輪機轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力與葉片裂紋的研究成果來看，目前的計算手段還無法準(zhǔn)確計算動態(tài)應(yīng)力，特別是在機組運行過程中發(fā)生的各類水力共振等現(xiàn)象。水輪機葉片裂紋可能是機組設(shè)計、制造、安裝和維護質(zhì)量不達標(biāo)導(dǎo)致，也可能是機組運行工況、進出口水輪機的水流條件等多種振源綜合作用的結(jié)果。要探明哪些振源起到主導(dǎo)作用，在目前尚不能對動應(yīng)力進行準(zhǔn)確數(shù)學(xué)計算的情況下，開展真機實測是掌握轉(zhuǎn)輪葉片在運行狀態(tài)下的動應(yīng)力狀況的主要途徑，是進一步解決大型水輪機轉(zhuǎn)輪開裂的關(guān)鍵，目前國內(nèi)外這方面的研究成果還不多。進入21世紀(jì)后，我國有一大批容量為700MW級的特大型常規(guī)機組和300MW級大型蓄能機組陸續(xù)投入運行。由于這些機組的容量和尺寸更大，一旦發(fā)生問題，其影響和危害必將更加嚴(yán)重。因此必須針對大機組的特點，及時開展轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力方面的科研工作，做好前期預(yù)防。

4 結(jié)論

綜上所述，混流式水輪機壓力脈動引起的振動穩(wěn)定性問題十分復(fù)雜，其機理至今尚不完全清楚，對于我國眾多的巨型混流式水輪機來說，穩(wěn)定性是一項亟需解決的重大課題，一些關(guān)鍵問題尚需進一步研究：

（1）對于混流式水輪機水力穩(wěn)定性，除尾水管渦帶壓力脈動外，國內(nèi)外對其他水力不穩(wěn)定因素的研究還較少，對小負荷不穩(wěn)定區(qū)存在的撞擊、脫流、葉道渦等不穩(wěn)定因素的脈動特性了解甚少，尚需加強混流式水輪機水力不穩(wěn)定性的試驗研究。

（2）混流式水輪機壓力脈動與動應(yīng)力的計算方法有待完善。當(dāng)前的數(shù)值計算存在精度不夠高的問題，還不能完全滿足工程實際需要。如何較準(zhǔn)確地預(yù)估水輪機內(nèi)部壓力脈動與動應(yīng)力，確定水力動載荷是一個十分復(fù)雜、難度非常大的課題，需要結(jié)合模型試驗提高計算模型的精度。

（3）轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動的測試，目前國內(nèi)幾乎沒有相關(guān)的研究，亟需通過測試探明轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動的特性，探索轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動與動應(yīng)力之間的關(guān)系。

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