混流式水輪機尾水管壓力脈動試驗分析

王林

（浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 310000）

混流式水輪機尾水管壓力脈動試驗分析

王林

（浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 310000）

壓力脈動產生于機組運行過程的非定常流場，是引起水輪機組振動及不穩定運行的主要水力振動源之一。其中，尾水管的螺旋狀渦帶是引起水力振動的最主要因素。本文通過對混流式水輪機模型試驗，研究了混流式水輪機尾水管內壓力脈動與空化系數、泄水錐形狀及補氣量的相互關系。

混流式水輪機；尾水管壓力脈動；空化系數；泄水錐形狀；補氣量；模型試驗

1 概述

近年來，隨著水輪機單機容量及轉輪直徑的不斷增大，水輪機的水力振動等穩定性方面的問題越來越突出。機組振動、軸系擺度和壓力脈動是表征水輪機組穩定性的3個主要參數。水力振動作為影響水電機組安全穩定運行的重要因素，是近年來國內外研究的重點。研究表明，導葉和轉輪葉片出口處的卡門渦、轉輪中的葉道渦和尾水渦帶產生的壓力脈動是引起水力振動的主要因素。

本文通過對混流式水輪機的模型試驗，研究了泄水錐形狀、空化系數及補氣等與尾水管壓力脈動的關系。

2 模型水輪機主要參數

模型水輪機主要參數：

模型試驗水頭：30 m；

模型水輪機轉輪直徑D1m：0.348 9 m；

模型轉輪出口直徑D2m：0.35 m。

模型水輪機尾水管測壓點布置示意圖見圖1。

3 壓力脈動影響因素試驗研究

3.1 壓力脈動與空化系數的關系

圖1 模型尾水管測壓點布置示意圖

σ—即空化系數，又分為臨界空化系數σc（與規定的能量下降值相聯系的空化系數，可取σ0或σ1，σ1為水輪機效率下降1%時的空化系數，σ0為水輪機效率開始下降時的空化系數，為方便觀察，模型試驗中常取σ1）、初生空化系數σi（目測觀察到轉輪三個葉片同時產生氣泡時的空化系數）及電站空化系數σp等，其關系為：σ1≤σc≤σ0＜σi＜σp。

Pa/γ—當地的大氣壓力，Pa/γ=10.33-/900，m—當地海拔高程，m。

Pν/γ—當時水溫下的飽和氣化壓力，隨溫度升高而增大。

當t=20℃時，Pν/γ≈0.24 m。

Hs—吸出高度，即空化基準面與尾水位的高差，m。對混流式水輪機，空化基準面即導水機構中心線所在平面。

H—水頭，m

則公式（1）可簡化為：

公式（2）即為工程中常用的空化系數計算公式。從（2）可以看出，當水頭H不變時，空化系數σ是僅與吸出高度Hs線性相關。在模型試驗時，通過改變吸出高度Hs計算臨界空化系數σc。

將模型機固定在某一工況不變（即保持模型機水頭Hm，單位轉速n11，導葉開度a0不變），通過改變吸出高度，即可測得空化系數與尾水管壓力脈動的變化。試驗結果圖2所示。

3.2 壓力脈動與泄水錐幾何形狀的關系

對模型轉輪帶原型泄水錐和加長型泄水錐2種結構進行對比試驗。轉輪泄水錐結構示意圖如下頁圖3和圖4所示。

針對真機的最小水頭，額定水頭，中間水頭（發最大出力的最小水頭）以及最大水頭4種工況，共進行了n11=91.5 rpm，83.2 rpm，80.9 rpm及74.4 rpm 4個單位轉速下的壓力脈動試驗。不同泄水錐形狀壓力脈動試驗結果如下頁圖5所示。

3.3 壓力脈動與補氣量的關系

模型試驗時，保持導葉開度和水頭不變，通過短管向尾水管中注入一定量的壓縮空氣，測量尾水管壓力脈動的變化。壓力脈動與補氣量的關系曲線如圖6所示。

4 結論

通過模型試驗，針對上述測量結果，可以得到以下一些結論：

圖2 尾水管壓力脈動與空化系數關系曲線示意圖

圖3 帶原形泄水錐的模型轉輪示意圖

圖4 帶加長泄水錐的模型轉輪示意圖

圖5 不同工況下尾水管壓力脈動與泄水錐形狀關系曲線示意圖

（1）當水輪機單位轉速較高時（相當于水輪機低水頭運行工況），尾水管壓力脈動在不同空化系數下均有較大波動，說明此時空化系數對壓力脈動的影響不大。當單位轉速降低（即水頭升高），隨著空化系數的增大，壓力脈動呈逐步減小的趨勢，當空化系數大于某個值時（不同水頭下不一致），壓力脈動基本穩定在一個較低的數值。由此即可計算出不同水頭下的最小吸出高度Hs。

圖6 尾水管壓力脈動與補氣量關系曲線示意圖

（2）在部分負荷（小流量）時，尾水管會產生較大的壓力脈動，在滿負荷或超負荷時，壓力脈動會保持在一個較低的水平。長泄水錐可有效降低部分負荷下尾水管的壓力脈動的峰值（最大值）。但并不是所有工況下都能降低壓力脈動。同樣在部分負荷工況時（偏離壓力脈動最大值的區域），長泄水錐反而會加劇尾水管壓力脈動。

（3）在低水頭小開度的工況下，補氣能有效的降低尾水管的壓力脈動。當水頭升高或導葉開度增大時，補氣的效果已不明顯，某些工況下，甚至會加劇尾水管的壓力脈動。

綜上所述，對混流式水輪機組的防振和減振，主要是消除或減弱尾水管中螺旋狀渦帶引起的壓力脈動。目前工程上常用的減振措施：一是改變泄水錐形狀；二是選擇合理的吸出高度（即選擇適當的空化系數）；三是補氣。另外還有一些措施，如在尾水管中加裝導流板，或在尾水管中加裝同軸圓管等，這些措施雖然能降低尾水管的最大壓力脈動，但由于破壞了尾水管中的流態，會降低水輪機在某些工況下的效率，且會使尾水管空化加劇，只能作為備用措施，其他措施無效或效果不大時采用。對一些劇烈振動的區域，若無法有效降低壓力脈動，必須避免在此工況運行，防止損壞設備或造成安全事故。

TV131

A

1672-5387（2016）07-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.002

2016-04-17

王 林（1979-），男，工程師，從事水輪機設計工作。