關于減小抽水蓄能機組尾水管振動的探討

溫占營，梁睿光

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

關于減小抽水蓄能機組尾水管振動的探討

溫占營，梁睿光

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

抽水蓄能機組由于尾水管的壓力脈動引起的振動可以考慮通過設置結構措施來控制，本文簡要描述了設置穩流片、阻流柵、導流柵、同軸圓柱等四種結構措施減小振動。

抽水蓄能機組；尾水管；振動

抽水蓄能機組一般為高水頭混流式結構，由于混流式水輪機轉輪出口的水流，在部分負荷工況下運行時，不可避免地存在周向旋回分速度，再加上彎肘形管道的作用，渦動水流所產生的壓力脈動往往是難以避免的。當尾水管內部壓力低于汽化壓力時，空化發生，出現空腔渦核和螺旋狀渦帶，產生低頻壓力脈動、出力擺動及機組與結構振動。參考一些水電站的處理經驗，可以在尾水管結構上設置穩流片、阻流柵、導流柵、安裝同軸圓柱等來減小壓力脈動引起的振動。

1 設置穩流片

大量的研究已經證實，尾水管的內部不穩定流動均起源于水輪機轉輪后出流的周向分速度，穩流片是減振裝置之一，某些機組裝置在尾水管錐管段，通過削減水流的旋回強度以消減壓力脈動。

對于穩流片的減振機理，其形狀、安裝的數量和位置等，已做過大量的試驗研究。但對穩流片降低壓力脈動的作用原理尚無完全的解釋。另一方面，穩流片還會導致在其表面的不均勻壓力梯度、高頻脈動和局部空蝕等，造成穩流片本身的破壞和尾水管里襯的破壞。

1.1 穩流片的形式

圖1為某電站實際采用的穩流片的布置和細部構造，為三角翼型，即橫斷面為三角形，頭部縱向也為三角形。布置上沿水流方向，焊接在尾水管錐管段的管壁上，周向等距布置，有2個、3個或4個的組合。

圖1 穩流片布置和構造

1.2 穩流片的減振機理分析

隨著CFD技術的發展，對安裝穩流片之后的尾水管流場數值解析是可能的。以下將介紹安裝有穩流片尾水管的數值解析成果(三維粘性流動)，優化穩流片的形狀以減小作用在穩流片上的壓力合力，探討不同進口條件和不同穩流片形狀的影響，為穩流片的實際應用提供有益的參考。

首先介紹一個彎肘型尾水管模型，進口直徑125 mm，錐管段擴散角9°，出口與進口面積之比為4.12，是實際混流式水輪機模型的1/3。在錐管段內壁假設安裝4個無厚度的穩流片(簡稱為“L”型)，等間距布置，安裝起點在進口的0.336 Ri，如圖2所示。

圖2 尾水管錐管段設置“L”型穩流片示意圖

利用數值分析計算流場，得到三維流線圖（如圖3），進口處m=1.2。扭曲的螺旋形流線與試驗觀察的很相像。流線在錐管段偏向一邊，然后在出口區移至另一邊。安裝穩流片后，主流更靠近中心區。

圖3 加穩流片后尾水管流線軌跡示意圖

圖4表示的是中間錐管橫斷面的二次流場分布和壓力場分布。流場分布特性表明，在錐管的中心區及以下有較大的回流，在頂部和中心有流動分離。接近出口區，流動偏向一側。由于主流接近壁面區，穩流片的消渦作用顯現：受穩流片的約束作用，主流向中心區移動，渦動強度減弱。計算還顯示，在穩流片后部存在一個小渦，渦動可能會造成負壓和空化，這一現象已為試驗所證實。壓力場的分析表明，穩流片附近為壓力集中區域，壓力梯度較大，穩流片的迎水面為較大的正壓力區，背水面存在較大的負壓，因此，造成穩流片的壓力合力，這對穩流片的強度和使用壽命極為不利。

圖4 穩流片中間橫斷面流場流速和壓力分布圖

在穩流片的背部和尾部出現一個小渦，在穩流片的迎水面與背水面間存在巨大的壓差，這也是實際電站運動中穩流片和尾水管里襯破壞的原因。對于不同的翼型，壓力不平衡基本在同一量級，但合力還是有所差異。因此，在穩流片幾何形狀優化時應該進行穩流片本身和尾水管里襯的應力分析和強度復核。

機組檢修，通流部分各洼窩中心的原始記錄是在軸系中心調整后測量的，因此，需要根據調整軸系中心時的調整量，推算出修前的各道洼窩中心才能進行全面的分析。

尾水管內設置穩流片具有良好的降低渦動強度的作用，通常在穩流片負壓面引入空氣可以有效消除局部的高頻渦動和空化，可以有效控制壓力脈動和防止共振，同時維持其壓力恢復能力，但也伴隨產生一定的能量損失。尾水管模型的數值計算尚不充分，但對于探討其減振機理和流場特征很有益處。進一步的模型試驗和現場測試對深入研究和優化設計十分必要。

1.3 穩流片數目和布置位置影響

研究已充分證明，穩流片有明顯的減振效果，但在某些工況也對效率和局部渦動空蝕有一定影響，選擇合理的穩流片數目和布設位置對于同時兼顧減振效果與降低負面影響十分有意義。

1）穩流片數目

試驗研究比較了4個、2個和1個穩流片下的壓力脈動降低效果，結論認為：即使對于1個穩流片的情況，壓力脈動降低效果也十分明顯，能夠達到抑制共振的目的。當然，從6個測點的綜合結果評價，4個穩流片時的效果要稍優于2個或1個穩流片情況。從頻率特性分析，當設置穩流片時，臨界空化系數Ki（相當于共振點）降低，頻率能夠錯開。

2）穩流片周向布置位置的影響

圖5 尾水管模型和測點布置

3）穩流片軸向位置的影響

下面討論穩流片在錐管段軸向布置位置對減振效果的影響，選擇一個具有較長錐管段的尾水管模型，其他部分與圖5的相同。穩流片位置有兩種，第一方案為其頭部距進口21 mm，第二方案為穩流片頭部距進口86 mm，分別稱為上游布置和下游布置。

從壓力脈動振幅的變化看，穩流片設置在上游位置時，由于距進口近，進口附近的水流旋轉強度較下游突出，故減振效果更為明顯。

4）進口渦旋強度的影響

試驗研究了尾水管進口處水流旋轉強度對穩流片減振效果的影響，分別選取m=1.0、1.25和1.40三種進口條件加以比較分析。

隨著渦旋強度增大，共振狀態的臨界空化系數Ki隨之增大。當m=1.25時，穩流片可避開共振區，但當m=1.4時，由于渦流較強，穩流片的減振效果不再表現明顯，如設置4個穩流片，共振有可能反而變得強烈。分析原因，一方面是由于渦旋較強，穩流片的作用受到限制。另一方面，由于穩流片產生局部空化渦核，造成空腔體積增大。此時，脈動分量中同步分量Ψsy依然突出，共振特征明顯。

2 設置阻流柵

我國的一些水電站在低負荷出力時發生功率擺動和壓力脈動現象，為消減振動，嘗試提出了在尾水管內的原有十字架上裝設阻流柵結構，削弱了尾水管內的旋回流強度，有效地破壞了引起發電機功率擺動的振源。阻流柵構造如圖6所示。試驗結果指明，阻流柵應盡量靠近轉輪，其柵條安裝在靠近管壁處效果較好。阻流柵的作用原理類似于穩流片。阻流柵柵條加長并連接可形成隔板，其阻止旋回流的效果更為明顯，如甲水電站(見圖7)，安裝“Y”型隔板后消除了電機振蕩頻率與尾水管渦帶頻率重合而導致的共振，解決了功率擺動問題。但是，加設阻流柵或隔板會引起結構的受力條件惡化，導致隔柵結構或支承結構(包括尾水管里襯)的破壞以及空化空蝕和噪聲等問題。

圖6 阻流柵結構示意圖(長度單位：mm)

圖7 尾水管“Y”型阻流格板

3 設置導流柵

導流柵是對阻流柵的一種改進，柵條不是垂直于旋回水流方向，而是平行于旋轉流線，起引導水流的作用，將尾水管直錐段內的流速分布引導為軸對稱，通過減小渦帶偏心距以達到消減壓力脈動的目的。由于其對水流環量的阻力較小，由導流柵引起的結構振動較其他裝置要小，對機組效率的影響相對也較小。乙水電站的尾水管導流柵模型試驗成果如圖8所示。壓力脈動明顯降低，速度場的測量表明，流場更趨近于軸對稱分布，渦帶渦心更接近于中心。效率試驗表明，在大開度范圍內，加導流柵后的效率較阻水柵及未采取措施前均提高1%以上。

圖8 導流柵的減振效果

丙水電站也進行了導流柵消振試驗，研究了導流柵數目、尺寸及位置等多種方案，結果表明，導流片位置以靠近尾水管外緣主流區且柵葉在錐段中間位置時效果較為理想。參照這一結果，丁水電站設計了導流柵并進行了現場試驗，低頻水壓脈動及頻率特性見圖9，對改善功率擺動的效果示于圖10中。結果說明，導流柵消振效果最佳，減輕功率擺動效果與阻流柵相近。

圖9 丁水電站尾水管減振效果示意圖

圖10 丁水電站尾水管功率擺動降低

4 安裝同軸圓柱

在尾水管中心安裝同軸圓柱后，它將主流和死水區隔開，渦帶及死水區的水流能量主要來自主流區，當主流區與死水區隔開后，死水區水流因得不到能量而不能形成渦帶，同時圓柱還有直接破壞渦核環流的作用。

5 結語

綜合以上分析內容，結合抽水蓄能機組的實際狀況，可以考慮在水泵水輪機尾水管內設置穩流片、阻流柵、導流柵、同軸圓柱等結構來減小壓力脈動引起的振動。

在實際應用中，尾水管得壓力脈動的調整方式不僅僅限于結構上增設裝置的措施，還可以通過補氣、延長泄水錐、優化尾水管設計等方式。實踐證明，這方面還有許多問題需要進一步研究。

TK734

B

1672-5387（2017）06-0012-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.005

2017-03-06

溫占營（1984-），男，工程師，從事抽水蓄能電站建設、運維管理工作。