混流式水輪機壓力脈動評價方法研究

桂中華，樂振春，董陽偉，唐擁軍，徐洪泉，陳 瑞

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761；3.中國水利水電科學研究院，北京市 100038）

0 引言

眾多研究成果[1，2]表明，尾水管的水壓力脈動是影響水輪機水力穩定性的主要因素之一，水輪機尾水管的壓力脈動不僅會引起機組的振動、出力的擺動，而且還會造成葉片裂紋和尾水管壁撕裂等，嚴重時甚至還會引起水力機組和水工建筑物的共振[3，4]，直接威脅到電站的安全穩定運行。因此，長期以來在水輪機模型研制階段就非常重視尾水管壓力脈動的研究，并在水輪機模型驗收試驗都規定了壓力脈動相對幅值ΔH/H的允許值，作為驗收和評價該水輪機穩定性的依據。

近年來，隨著我國大型水電站的不斷開發，機組的容量和運行水頭變幅范圍不斷增大，采用以往尾水管壓力脈動ΔH/H作為驗收和預測機組運行穩定性已不再合適。本文針對水頭變幅范圍大的混流式水輪機，研究了其壓力脈動與振動穩定性的相關關系，并對大變幅混流式水輪機壓力脈動在不同水頭段采用不同ΔH/H作為驗收進行穩定性評價。

1 壓力脈動驗收及評判的現狀

目前在水輪機壓力脈動現場測試驗收試驗中，一般在尾水管錐管距進口L處的上、下游側（+Y、-Y）布置兩個測點（就混流式水輪機，L=0.3D2，D2為轉輪葉片低壓邊與下環交點的直徑）[5]，測量各工況的壓力脈動，進而研究和預測水輪機尾水管壓力脈動與機組振動問題，并將該測點各工況的壓力脈動相對幅值ΔH/H作為驗收和評價該水輪機穩定性的依據。

表1中列出國內外一些廠家對壓力脈動的保證值，從表中可見，國內外不同廠家提出的壓力脈動保證值都不相同。目前我國大多用戶對中型電站要求壓力脈動相對雙振幅值ΔH/H≤7%；對于大型電站要求壓力脈動相對雙振幅值ΔH/H≤5%。但由于各個電站的具體情況不同、參數不同、對不同的電站要求相同的或非常相近的壓力脈動值已經不能滿足電廠穩定運行的需要。特別是近年來，我國大變幅巨型水輪機數量的增大，這一問題越來越突出。

2 壓力脈動評價方法研究

2.1 尾水管壓力脈動評價標準ΔH/H存在的局限性

由于我國的水電站通常要兼顧防洪、灌溉、供水、航運和發電等多項任務，因此電站的水頭變幅較大，如三峽、大朝山、天生橋Ⅰ級、小浪底、五強溪、巖灘等其最高水頭與最小水頭的比值都超過了1.6。近年來，大型混流式水輪機的運行經驗表明，水頭變幅較大的機組，采用統一的壓力脈動ΔH/H值來評價穩定性是很不夠的，因為同一個ΔH/H值，高低水頭對機組的穩定性影響大不一樣。

表1 國內外部分廠家對尾水管壓力脈動的保證值Tab.1 Draft tube pressure pulsation guarantee value of some manufacturers in domestic and overseas

下面就以某機組在升水位過程中的實測結果來說明同一個ΔH/H在高低水頭時對機組穩定性的不同影響。

圖1 某機組不同水頭下壓力脈動、振動和擺度變化趨勢Fig.1 Variation trend of pressure pulsation，vibration and run-out of a unit at different heads

某電站運行水頭變幅大（最大水頭113.0m，額定水頭80.6m，最小水頭61.0m），又擔任調峰任務，負荷變化大，機組運行條件比較復雜，為了解真機在不同運行水頭下的壓力脈動、振動、擺度與噪聲等穩定性參數，劃分機組穩定運行區域和指導機組優化運行，該電廠組織開展了一系列的升水位機組穩定性與能量性能試驗。圖1是某機組在不同水頭下（83m、96.7m和104.5m）壓力脈動、振動和擺度的變化情況，通過對比可以看出：

（1）隨著水頭的升高，尾水管（測點距轉輪出口約0.3D2處）壓力脈動相對混頻幅值呈下降的趨勢，尾水管渦帶區逐漸向高負荷擴展。

（2）隨著水頭的升高，水導擺度混頻幅值呈上升的趨勢。

（3）隨著水頭的升高，頂蓋水平振動和上機架水平振動都呈上升的趨勢。

該機組穩定性試驗結果表明：隨著水頭的升高，壓力脈動相對值減少，而機組振動卻增大。說明壓力脈動相對值低的高水頭，水輪機運行穩定性卻并不好。因此，水頭變幅大的機組，不能采用統一的壓力脈動ΔH/H值來評價機組的穩定性。

2.2 ΔH作為水壓脈動評價標準的不足

隨著水頭的升高，ΔH/H降低，機組振動反而增加，這是因為機組的振動與激振力成正比，而激振力是與壓力脈動絕對值ΔH而不是相對值ΔH/H成正比。因此用ΔH來評價機組穩定性比ΔH/H要合理。

圖2為根據該機組升水位實測數據整理的結果。其中圖2（a）為不同水頭下ΔH/H對機組振動的影響，高、低水頭上機架水平振動的λ/（ΔH/H）值之比為2.43，高、低水頭頂蓋水平振動的λ/（ΔH/H）值之比為2.27；圖2（b）為不同水頭下ΔH對機組振動的影響，高、低水頭上機架水平振動的λ/（ΔH）值之比為1.53，高、低水頭頂蓋水平振動的λ/ΔH值之比為1.47。從數據分析來看，用ΔH作為機組穩定性評價標準，高水頭時振動與壓力脈動比值與低水頭時相比縮小了不少。由此看來，用ΔH評價振動比ΔH/H的確更為合理。

但從圖2（b）曲線的發展趨勢可以看出，λ/ΔH比值仍隨水頭上升而增大，也就是說高水頭時的ΔH對機組振動的影響仍比低水頭要大?？赡茉蚴俏菜軌毫γ}動不能反映作用在轉輪上的全部作用力。

2.3 壓力脈動評價方法的討論

從以上分析可以得知，單純的ΔH/H或ΔH都不能表征原型機組振動穩定性水平。對于同一個壓力脈動值在高水頭所引起的不穩定現象要比低水頭時嚴重。但對于這一問題的解釋，目前還缺少統一的認識。由于機組振動穩定性水平是由激振力的大小和頻率以及機組振動部件的靜動力響應特性兩個方面共同決定的。作用在機組上的激振力也不僅僅只有尾水管壓力脈動一種，人們目前所關注的尾水管壓力脈動不能反映作用在轉輪上的全部作用力，而且它也不一定具有決定性的作用。因此，在關注機組振動穩定性時，應全面關心各種主要激振力的綜合作用結果。

圖2 某機組振動與壓力脈動的關系Fig.2 Relation between vibration and pressure pulsation of a unit

在不同水頭下壓力脈動與振動的關系還未研究清楚之前，評價水頭變幅大的混流式水輪機的壓力脈動時，宜根據水頭和負荷，將運行區劃分成若干小區域，對每一區域分別制定ΔH/H最大允許值作為壓力脈動的評價標準。按照這一思路，制定了某機組尾水管壓力脈動允許值如表2所示。

表2 某機組尾水管壓力脈動允許值Tab.2 Permissible value of draft tube pressure pulsation of a unit

3 結束語

尾水管壓力脈動是影響混流式水輪機運行振動穩定性的主要因素之一，也是反映轉輪性能的重要指標之一。研究制定尾水管壓力脈動的評價標準非常重要。本文通過某機組升水位試驗，分析不同水頭下壓力脈動變化趨勢與機組振動之間的關系，得到以下結論。

（1）對于同一個壓力脈動值ΔH/H，在高水頭所引起的不穩定現象要比低水頭時嚴重，因此，對于水頭變幅大的機組，已不能采用統一的壓力脈動ΔH/H值來評價機組的振動穩定性。

（2）用ΔH評價原型機組振動比ΔH/H更為合理，但高水頭時ΔH對機組振動的影響仍比低水頭要大。

（3）單純的ΔH/H或ΔH都不能表征原型機組振動穩定性水平，在現有技術水平下，對于水頭變幅大的混流式水輪機，宜根據水頭和負荷，將運行區劃分成若干小區域，對每一區域分別制定ΔH/H最大允許值作為壓力脈動的評價標準。