水輪機工況下水泵水輪機的無葉區壓力脈動特性分析

張 梁，李金偉

（1.雅礱江流域水電開發有限公司，成都 610056；2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

水輪機工況下水泵水輪機的無葉區壓力脈動特性分析

張 梁1，李金偉2

（1.雅礱江流域水電開發有限公司，成都 610056；2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

水泵水輪機無葉區是機組內部水力因素引起的壓力脈動最大的部位，也是機組和廠房振動的主要激振源之一。本文以某抽水蓄能電站機組穩定性試驗結果為基礎，分析了機組內部壓力脈動混頻幅值隨負荷的變化趨勢，重點關注了無葉區壓力脈動分頻幅值隨負荷的變化規律，為研究機組和廠房振動誘因提供一種思路。

水泵水輪機；壓力脈動；無葉區

0 前言

抽水蓄能技術是電力系統中作為調節手段的一種先進技術，是一種行之有效的蓄能裝置，在我國被大力發展[1]。近年來，數個已投產運行的抽水蓄能電站機組和廠房出現了比較強烈的振動。經過現場試驗分析發現，無葉區（活動導葉與轉輪之間）基本是機組內部壓力脈動最大的部位，這是活動導葉與轉輪之間動靜干涉的結果，是水泵水輪機的典型特征；試驗結果研究表明，無葉區壓力脈動是機組和廠房振動的主要激振源之一，尤其要重視無葉區壓力脈動的頻率組成及其對應的分頻值[2]。當某個頻率值與廠房局部構件的固有頻率接近時，有可能誘發局部構件的共振，進而向整個廠房段進行傳遞，嚴重影響到機組和廠房的安全和穩定運行[3]。

下面以某抽水蓄能電站機組穩定性試驗結果為例進行闡述。該抽水蓄能電站是一座日調節純抽水蓄能電站，共安裝4臺立軸單極混流可逆式水泵水輪機組，機組單機容量250MW，總裝機容量為1000MW。水泵水輪機的主要參數如下：轉輪名義直徑4.641m，固定導葉和活動導葉均為20個，轉輪葉片9個，額定轉速333.3r/min，額定水頭305m，最大毛水頭346m，最小毛水頭291m。

本次穩定性試驗布置了壓力脈動測點4個，具體布置如圖1所示。蝸殼進口1個，位置在HP1；無葉區2個，其中無葉區+X的測點布置在HC6、無葉區+Y的測點布置在HC3；頂蓋下1個，位置布置在HC4。

壓力脈動測量采用中國航天空氣動力技術研究院生產的AK-4型壓力變送器，主要指標見表1。

表1 AK-4型壓力變送器主要性能指標

圖1 壓力脈動測點布置示意圖

1 機組穩定性試驗結果分析

機組主要開展了變負荷試驗，機組負荷?。?30MW、150MW、175MW、200MW、225MW、250MW。各負荷工況對應的上庫水位、下庫水位以及靜水頭如下：

表2 試驗工況表

試驗采樣頻率為2kHz，每個負荷工況下機組穩定后數據采集2min。

表3顯示了四個測點的壓力脈動相對幅值（Δp/ ρgH，Δp為壓力脈動混頻幅值，取97%置信度；H為平均靜水頭）。圖2顯示了四個測點的壓力脈動相對幅值隨負荷的變化曲線?？梢钥闯觯弘S著負荷的增大，4個測點的壓力脈動先減小后增大，負荷為200.7MW時達到最小，表明該負荷工況下機組內部的流態相對最好。負荷進一步增大，壓力脈動有一定程度的上揚，頂蓋下測點增大幅度相對明顯。

表3 壓力脈動相對幅值 %

圖2 壓力脈動隨負荷的變化曲線

圖3～圖5分別顯示了130.5MW、176.1MW、225.5MW負荷工況下4個測點的壓力脈動頻譜，可以看出：4個測點的壓力脈動優勢頻率均為葉片過流頻率50Hz（葉片數乘以轉頻即9倍轉頻）及其2倍諧頻100Hz，表明了活動導葉與轉輪的動靜干涉作用向上游進行了傳播。這種動靜干涉是轉輪葉片引起的旋轉流場擾動與活動導葉尾流引起的流場擾動之間調制的結果，它造成的異常壓力脈動在整個過流部件中傳播，可能引起水力激振力與轉輪、導水機構或廠房局部構件的共振，從而產生破壞[4]。

圖3 壓力脈動頻譜圖（130.5MW）

圖4 壓力脈動頻譜圖（176.1MW）

圖5 壓力脈動頻譜圖（225.5MW）

以往針對水泵水輪機無葉區壓力脈動的分析主要集中在混頻幅值和頻率成份方面，事實上根據數個抽水蓄能電站機組穩定性試驗和模擬計算后發現，廠房結構對于不同頻率的壓力脈動的振動響應比較敏感[5]，因此進一步研究各分頻幅值隨負荷的變化趨勢更有意義。下面以無葉區+X、+Y兩個壓力脈動測點為研究對象進行分析。

由圖6～圖7可以看出：對于無葉區的2個壓力脈動測點，葉片過流頻率50Hz對應幅值隨著負荷的增大而減小，2倍葉片過流頻率100Hz對應幅值隨著負荷的增大先減小后增大，在200.7MW負荷工況時達到最小，與混頻幅值隨負荷的變化趨勢一致。隨著負荷的增大即活動導葉開度不斷增大，活動導葉與轉輪的距離（以Dg-r表示）越來越近，當Dg-r達到某一值DT時，機組內部的流場最佳，動靜干涉的效果最弱，反之，當Dg-r偏離DT越遠，動靜干涉的效果越明顯。

圖6 +X測點分頻幅值隨負荷變化曲線

圖7 +Y測點分頻幅值隨負荷變化曲線

通過現場測試發現，該電站廠房振動的實際情況與100Hz分頻幅值的變化趨勢完全一致，滿負荷250MW發電時廠房振動和廠房內噪聲最大，150MW時其次，200MW時相對最好（電站最常運行的三個負荷工況）。該電站的廠房結構為立式結構，經數值模擬計算，其水輪機層立柱的其前10階固有頻率分別為：85.70、98.52、101.30、104.13、106.03、108.79、114.59、115.09、116.18、120.47（單位Hz）。局部構件的主階數固有頻率中有一階的頻率與無葉區壓力脈動優勢頻率之一的100Hz非常接近，可能出現了局部共振的現象，嚴重影響到機組和廠房的安全及穩定運行。

2 結論

隨著抽水蓄能技術的不斷發展，高水頭大容量化的發展趨勢使水力激振頻率隨轉速的升高而上升，而水頭的提高將會導致轉輪比轉速降低，轉輪形狀設計趨于扁平化，與此相對應的固有頻率也隨之降低，同時，對于固定部件而言，隨著設計剛度的增加，結構自身的固有頻率同樣會得到大幅提升，兩種因素的疊加增加了過流部件發生共振的機率。因此在研究抽水蓄能機組內部的壓力脈動時，不僅要分析壓力脈動混頻幅值的變化趨勢，更要關注壓力脈動各優勢頻率對應幅值的變化情況，因為很有可能某個優勢頻率成份就是造成機組和廠房振動的關鍵因素。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發電技術[M].機械工業出版社, 2000

[2]高峰.高水頭混流式水泵水輪機無葉區壓力特征分析[D].哈爾濱工業大學,2014.

[3]高忠信,唐澍,梁賀志.水輪機固定導葉和活動導葉后的卡門渦頻率研究[J].水動力學研究與進展,2005(6):29-35.

[4]賈偉,劉晶石,龐立軍,等.抽水蓄能電站水泵水輪機的動靜干涉與振動分析[J].振動工程學報,2014,27(4):555-571.

[5]張軍,伍鶴皋,劉建洪,等.洪屏抽蓄電站地下廠房對不同頻域壓力脈動的振動響應[J].中國農村水利水電,2016(6):155-163.

張梁（1976-），2007年畢業于清華大學熱能系，獲得博士學位，主要研究方向：流體機械設計研究、水電站運行管理等，高級工程師。

審稿人：魏顯著

Characteristic Analysis of Pressure Fluctuation in the Non-blade Area of a Pump-Turbine under Turbine Condition

ZHANG Liang1,LI Jinwei2
(1.Yalong River Hydropower Development Company Ltd.,Chengdu 610056,China; 2.Beijing IWHR Corporation,Beijing 100048,China)

Pressure fluctuation in the non-blade Area of a Pump-Turbine is the maxim pressure fluctuation caused by inner hydraulic facts,and is one of the sources exciting to vibration of unit and powerhouse.In this paper,based on the stability test results of a pumped-storage power station,the change trend of pressure fluctuation mixing amplitude according to unit output is discussed,focused on change rules of frequency division amplitude,one thought to study vibration of unit and powerhouse is presented.

pump-turbine;pressure fluctuation;non-blade area

TM312

A

1000-3983(2017)01-0060-04

2016-09-20