原型水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試分析

張金偉

摘 要：相關(guān)實(shí)踐已經(jīng)表明，水輪機(jī)尾水管產(chǎn)生壓力脈動(dòng)將會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組造成嚴(yán)重影響。首先由于其會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)幅度擴(kuò)大，導(dǎo)致嚴(yán)重噪聲出現(xiàn)，這是對(duì)整個(gè)機(jī)組造成的危害；而導(dǎo)致葉片破壞，并且在整個(gè)機(jī)械部位出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致設(shè)備磨損，這是對(duì)設(shè)備造成的破壞。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)于新型機(jī)械的生產(chǎn)和舊型機(jī)械的改造上都對(duì)嚴(yán)格限制壓力脈動(dòng)方面的問(wèn)題，并且直接表述在合同文書(shū)之上。所以這樣看來(lái)，無(wú)論生產(chǎn)單位還是業(yè)主廠家都應(yīng)該對(duì)脈動(dòng)指標(biāo)給予高度重視，這樣才能不斷提高設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平。關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；尾水管；壓力脈動(dòng)；測(cè)試分析針對(duì)原型水輪機(jī)尾水管進(jìn)行壓力脈動(dòng)指標(biāo)的測(cè)量本身涉及到的環(huán)節(jié)是非常多的，不僅有基本的測(cè)試設(shè)備和方法，還有數(shù)據(jù)分析和工況、信號(hào)采集等等，不難看出，壓力脈動(dòng)測(cè)試本身是非常復(fù)雜的，這就需要我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的要求和規(guī)定來(lái)開(kāi)展測(cè)試和分析，這樣才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，然而目前對(duì)于這一方面的內(nèi)容，我們也缺乏相關(guān)的文獻(xiàn)。本文針對(duì)這項(xiàng)內(nèi)容的前期準(zhǔn)備工作和具體測(cè)試關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，希望可以給相關(guān)工作的開(kāi)展提供一些參考。1 關(guān)于前期準(zhǔn)備工作1.1 選定機(jī)組如果該生產(chǎn)線生產(chǎn)機(jī)組型號(hào)相同，其結(jié)構(gòu)布置上也有很高相似度，那么就可以?xún)H僅選用一臺(tái)機(jī)組。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，制造質(zhì)量并不能完全保證，同時(shí)制造工藝方面也有一定的影響，所以即便水輪機(jī)的型號(hào)完全相同，其質(zhì)量方面也會(huì)存在明顯區(qū)別。在這種情況之下，具體選擇哪些機(jī)組來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完全可以參照實(shí)際情況進(jìn)行選擇，正常來(lái)所，選取在壓力脈動(dòng)指標(biāo)方面存在疑問(wèn)的機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)是最常見(jiàn)的做法。1.2 選定水頭如果使用不同水頭，那么壓力脈動(dòng)數(shù)值也會(huì)產(chǎn)生較大的差距。在原則上以技術(shù)合同中規(guī)定的水頭為主，如果合同中沒(méi)有明確規(guī)定，則直接由業(yè)主方選定。正常來(lái)說(shuō)應(yīng)該包括高、中、低三種水頭，如果應(yīng)用不同水頭取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差距較大，可以加入1-2個(gè)水頭，同時(shí)應(yīng)該保證其中有而定水頭，并且將額定水頭作為最重要的標(biāo)準(zhǔn)。1.3 重視試驗(yàn)方法的選擇在試驗(yàn)方法的選擇上正常來(lái)說(shuō)應(yīng)該結(jié)合合同的具體要求來(lái)進(jìn)行選擇。正常來(lái)說(shuō)，應(yīng)該選擇專(zhuān)用傳感器械和實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。正常來(lái)說(shuō)，壓力脈動(dòng)的頻率可能較高，所以應(yīng)該將實(shí)驗(yàn)儀器的頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，避免無(wú)法讀數(shù)。在正常情況下，實(shí)驗(yàn)需要結(jié)合水輪機(jī)工作水頭來(lái)加以對(duì)比，這樣才能測(cè)量出發(fā)電流量和水頭的損失，這是一項(xiàng)非常重要的工作，進(jìn)而確保水輪機(jī)水頭選擇的正確性。首先需要業(yè)主和廠家以及測(cè)試方加以討論這樣才能確定實(shí)驗(yàn)用的水頭，相關(guān)儀器情況都應(yīng)該體現(xiàn)在檢測(cè)報(bào)告之中。1.4 確定實(shí)驗(yàn)日期和具體流程正常來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)日期應(yīng)該結(jié)合電站的具體情況來(lái)確定，但是正常來(lái)說(shuō)，壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)這項(xiàng)內(nèi)容不應(yīng)該超過(guò)合同保證其里進(jìn)行，并且應(yīng)該保證設(shè)備沒(méi)有被改動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行。就普遍情況來(lái)說(shuō)，在投入運(yùn)行6個(gè)月以?xún)?nèi)都可以進(jìn)行壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)。關(guān)于實(shí)驗(yàn)流程應(yīng)該編訂一個(gè)試驗(yàn)大綱，在上述工作全部完畢之后才能進(jìn)行編寫(xiě)。試驗(yàn)大綱在定稿之前首先需要業(yè)主和廠家進(jìn)行審批，其中關(guān)鍵內(nèi)容包括有實(shí)驗(yàn)的目的，觀測(cè)的項(xiàng)目、具體實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的方式，所需要用到的設(shè)備、人員安排、相應(yīng)的安全措施、實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的時(shí)間等等。2 水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試關(guān)鍵控制點(diǎn)2.1 水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置選取水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置選取一般有兩種方法：首先應(yīng)按技術(shù)合同條款執(zhí)行；其次在技術(shù)合同條款無(wú)明確表述，或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試位置無(wú)法滿足合同條款時(shí)，應(yīng)各方協(xié)商，按照IEC或各方接受的規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。無(wú)論采用哪種方法，壓力脈動(dòng)測(cè)試位置均應(yīng)盡可能地靠近取壓口。2.2 水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試傳感器選取壓力脈動(dòng)傳感器應(yīng)該具備適合水力發(fā)電機(jī)組的基本特性，包括靈敏度、量程、精度等，同時(shí)具有良好的工作性能，包括產(chǎn)品本身的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、壽命、適應(yīng)環(huán)境的能力等指標(biāo)。尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)量時(shí)應(yīng)選用高品質(zhì)、具有廣泛應(yīng)用業(yè)績(jī)的產(chǎn)品。流體壓力傳感器是利用某些材料的壓電效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器。從理論上講，同一只傳感器，其輸出的平均值為壓力，交變值為脈動(dòng)。但從分析診斷的角度選擇，用于測(cè)量壓力的傳感器和測(cè)量脈動(dòng)的傳感器是不一樣的。壓力脈動(dòng)傳感器要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間至少小于1ms，能夠分析200Hz以上的脈動(dòng)頻率。測(cè)量水頭、水位等的壓力傳感器要求有較高的測(cè)量精度，至少為0.2級(jí)，這樣的傳感器一般動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率都較低。壓力脈動(dòng)傳感器測(cè)量范圍應(yīng)能滿足流道中可能出現(xiàn)的最高壓力或負(fù)壓。2.3 水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試工況選取進(jìn)行原型水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)分別在穩(wěn)態(tài)工況和脈動(dòng)區(qū)工況進(jìn)行。水輪機(jī)技術(shù)合同中對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)的考核指標(biāo)往往是針對(duì)不補(bǔ)氣工況，因此，無(wú)論是穩(wěn)態(tài)工況還是和脈動(dòng)區(qū)工況測(cè)試，均應(yīng)在補(bǔ)氣和不補(bǔ)氣兩種狀態(tài)下進(jìn)行。注意不補(bǔ)氣工況進(jìn)行尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)將所有可能導(dǎo)致進(jìn)氣的通道進(jìn)行封堵，以避免對(duì)測(cè)試結(jié)果的爭(zhēng)議。如有必要，在補(bǔ)氣工況下進(jìn)行尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試時(shí)，可采用其他方式同步測(cè)量補(bǔ)氣量和機(jī)組相對(duì)效率，以分析掌握補(bǔ)氣對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)和機(jī)組相對(duì)效率的影響，并判斷與模型試驗(yàn)的一致性。2.4 水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試中的抗干擾措施水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)采取各種手段最大幅度地減少各種干擾信號(hào)，確保壓力脈動(dòng)信號(hào)的真實(shí)性。一般來(lái)講，以下方面需嚴(yán)格控制：（1）信號(hào)采集單元應(yīng)采用鋁合金機(jī)箱，具有抗電磁輻射結(jié)構(gòu)；應(yīng)采用工業(yè)級(jí)芯片或模塊，減小溫漂和時(shí)漂；信號(hào)采集箱內(nèi)電路設(shè)計(jì)應(yīng)采用多種抗干擾技術(shù)。（2）與外部系統(tǒng)的連接采用光電隔離技術(shù)。（3）測(cè)試裝置模擬信號(hào)通道應(yīng)至少配置6階抗混濾波器（低通），抑制各種高頻干擾信號(hào)。（4）模擬信號(hào)應(yīng)采用4線差分輸入方式，高共模抑制比，采集裝置應(yīng)采用接地措施，充分抑制引線干擾。壓力脈動(dòng)傳感器測(cè)試電纜應(yīng)帶有屏蔽層。3 結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)前文總結(jié)我們不難發(fā)現(xiàn)，針對(duì)原型水輪機(jī)尾水管進(jìn)行脈動(dòng)測(cè)試，雖然看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上在實(shí)踐過(guò)程中有很廣泛的牽涉范圍，每個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系非常緊密，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏都會(huì)從整體上影響到整個(gè)測(cè)試的結(jié)果，甚至?xí)?dǎo)致糾紛問(wèn)題的出現(xiàn)。隨著我國(guó)技術(shù)的進(jìn)步，水輪機(jī)制造無(wú)論是質(zhì)量還是精度都在提高，所以現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)正在不斷從原型向模型轉(zhuǎn)變。但是目前來(lái)看，水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)測(cè)試仍然是一項(xiàng)非常重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，所以需要我們采取有效技術(shù)手段，在實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟上都嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范來(lái)進(jìn)行，這樣才能不斷提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率。參考文獻(xiàn)[1]Melot，董慧瑩.利用瞬態(tài)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測(cè)混流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)[J].國(guó)外大電機(jī)，2015（4）：7-11.[2]鈄錦周，王衛(wèi)玉，陳啟卷.改進(jìn)EMD降噪方法在水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)信號(hào)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2017（5）：157-160.[3]汪坤.混流式水輪機(jī)全流道湍流流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[D].昆明理工大學(xué)，2015.[4]王林.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泄水錐幾何形狀對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)的影響研究[D].西安理工大學(xué)，2015.