基于高速攝影的水力機(jī)械空化空腔膨脹收縮特性試驗(yàn)研究

2023-09-05 13:00:20徐洪泉張海平

水力發(fā)電 2023年8期

徐洪泉，朱雷，何磊，張海平

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引言

水輪機(jī)、水泵和水泵水輪機(jī)在運(yùn)行過程中都會(huì)遇到不同程度的振動(dòng)穩(wěn)定性問題，比較嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致機(jī)組和廠房振動(dòng)強(qiáng)烈[1-3]，噪聲大，有的還會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪葉片斷裂[4-5]、尾水管撕裂[6]、壓力及負(fù)荷振蕩[7]、廠房裂紋[8]等故障，許多大中型機(jī)組不得不限制運(yùn)行范圍[1-2]。

比較嚴(yán)重的水力機(jī)械振動(dòng)穩(wěn)定性問題，多數(shù)由水力因素引起，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)[9]、卡門渦振動(dòng)[10-11]、葉道渦[12-13]、高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)[14]等不穩(wěn)定現(xiàn)象是主要的水力不穩(wěn)定成因。在對(duì)這些水力不穩(wěn)定因素進(jìn)行全運(yùn)行范圍綜合分析和比較研究后可發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的壓力脈動(dòng)或水力因素導(dǎo)致振動(dòng)突出工況均和各種形態(tài)的渦流密不可分，渦流的空化空腔是這些不穩(wěn)定現(xiàn)象如影隨形的存在，葉道渦空腔伴隨著低負(fù)荷壓力脈動(dòng)，偏心渦帶伴隨著部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)，松散的上直下彎渦帶伴隨著高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)[15]，鼓形渦伴隨著大負(fù)荷壓力脈動(dòng)[6]，而卡門渦則會(huì)引起中高負(fù)荷卡門渦頻率強(qiáng)振。

在對(duì)各種水力不穩(wěn)定現(xiàn)象和空化空腔之間密切關(guān)系進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研究團(tuán)隊(duì)提出了空化空腔危害水力機(jī)械水力穩(wěn)定性理論[16]，并在對(duì)渦旋流及其空化空腔[17]進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上針對(duì)卡門渦[18]和尾水管渦帶[19]2種空化空腔的危害特性及方式提出探討，認(rèn)為空化空腔屬低壓空泡團(tuán)，會(huì)隨壓力變化而膨脹、收縮甚至潰滅，產(chǎn)生或放大壓力脈動(dòng)幅值，是大幅值壓力脈動(dòng)的主要根源。在文獻(xiàn)[20]中，還應(yīng)用動(dòng)量方程分析估算了空泡團(tuán)潰滅時(shí)的沖力，證明高頻、大尺寸空化空腔會(huì)產(chǎn)生非常巨大沖擊力。

不可否認(rèn)的是，這些論證均基于理論分析，雖部分經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，但空化空腔的膨脹、收縮、潰滅并沒有實(shí)際的圖像資料進(jìn)行證實(shí)。本文補(bǔ)充和深化這一研究，分別對(duì)混流式水輪機(jī)的葉道渦空腔和貫流式水輪機(jī)的間隙空化空腔進(jìn)行了高速攝影研究，用大量的圖像資料驗(yàn)證了空化空腔遇低壓膨脹、遇高壓收縮、潰滅的特性，為證明空腔危害水力機(jī)械穩(wěn)定性理論的科學(xué)性提供了重要證據(jù)。

1 混流式水輪機(jī)葉道渦空腔的膨脹收縮特性

1.1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)工況簡(jiǎn)介

葉道渦高速攝影試驗(yàn)研究于2021年6月在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊直徑D1=0.372 2 m，出水邊直徑D2=0.37 m，導(dǎo)葉高度B0=0.26D1，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr=15，屬中水頭混流式水輪機(jī)，俯視順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

葉道渦多發(fā)生在低單位轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷工況，高速攝影選擇的拍攝工況為：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)速n11=70.4 r/min，單位流量Q11=0.274 m3/s，空化系數(shù)σ=0.07。試驗(yàn)水頭H=30.27 m，轉(zhuǎn)速n=1 040.1 r/min，流量Q=0.207 5 m3/s，轉(zhuǎn)輪出水邊軸向流速Vz=1.93 m/s，轉(zhuǎn)輪葉片外緣圓周速度U=20.15 m/s。高速攝影頻率為1 200 Hz，兩幀照片間隔時(shí)段Δt=1/1 200 s=0.833 ms。之所以沒有選擇更低空化系數(shù)，是因?yàn)榭栈鼮閲?yán)重，大片的葉道渦空化，很難看清哪個(gè)葉道渦空腔膨脹、收縮或潰滅了。

對(duì)小負(fù)荷混流式水輪機(jī)而言，葉道渦是普遍存在，至于所謂的葉道渦是否存在、嚴(yán)重與否均指“可見葉道渦”，即葉道渦空化后狀況，能看見空化氣泡團(tuán)組成的長(zhǎng)條狀空泡云團(tuán)。如該葉道渦被完全空化，可從葉片進(jìn)水邊一直延伸至尾水管。但轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊、出水邊及尾水管壓力差別很大，尾水管不同相位(徑向角度)壓力也高低不同，就可能造成葉道渦只有局部壓力低于空化壓力處才出現(xiàn)空化空腔，表現(xiàn)為一小截空泡團(tuán)，甚至是一個(gè)很小的空泡團(tuán)。

1.2 葉道渦空腔的膨脹

葉道渦空化空腔的膨脹過程如圖1所示。在泄水錐左下方葉片上(見圖1a箭頭處)葉道渦空腔比較細(xì)長(zhǎng)，1/1 200 s后空泡團(tuán)明顯變粗變亮，體積增大(見圖1b箭頭處)，說明葉道渦空腔發(fā)生了膨脹現(xiàn)象。需要說明的是，這兩幀照片的兩個(gè)空泡團(tuán)不一定對(duì)應(yīng)同一水體，其最嚴(yán)重空化部分多對(duì)應(yīng)最低壓力處，該最低壓力通常由尾水管環(huán)境壓力及轉(zhuǎn)輪葉片出水邊位置共同決定，其真實(shí)空間位置有可能變化很小。

圖1 葉道渦空腔膨脹過程

1.3 葉道渦空腔的收縮

葉道渦空腔離開葉片后收縮過程如圖2所示。在與泄水錐左下方葉片出水邊可見面積較大的明亮空泡團(tuán)(見圖2a圓圈處)，但1/1 200 s后空泡群(見圖2b圓圈處)面積明顯縮小，亮度降低，其主要原因是離開葉片后壓力的上升，說明葉道渦空腔發(fā)生了收縮現(xiàn)象。

圖2 葉道渦空腔離開葉片時(shí)收縮狀況

1.4 葉道渦空腔的潰滅

文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[20]認(rèn)為，空化空腔的潰滅會(huì)給水力機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大的危害。就空化空腔氣泡團(tuán)而言，空泡團(tuán)潰滅是空泡團(tuán)收縮的特殊現(xiàn)象及過程，是其收縮到體積為0時(shí)的特殊狀態(tài)。通過高速攝影照片的慢速播放或連續(xù)照片對(duì)比，可證明空化空腔由大到小、再到潰滅的全過程，證明該空化空腔可在不到千分之一秒的短時(shí)間內(nèi)從有到無，瞬間潰滅。

圖3、4給出了2個(gè)葉道渦空腔的潰滅的過程。圖3從-1 303幀至-1 301幀的3幀高速攝影連續(xù)照片中，泄水錐正下方葉片出水邊有一葉道渦空腔(白色空泡團(tuán))，圖3a(-1 303幀圓圈處)空泡團(tuán)稍大，1/1 200 s后的圖3b(-1 302幀圓圈處)空泡團(tuán)變小，再過1/1 200 s到圖3c(-1 301幀)時(shí)空泡團(tuán)已消失，完全潰滅。圖4中間葉片(泄水錐下方)上的葉道渦空腔，圖4a(-1 057幀圓圈處)空泡團(tuán)較大，1/1 200 s后的圖4b(-1 056幀圓圈處)空泡團(tuán)移動(dòng)到出水邊并變小，到圖4c(-1 055幀)該空泡團(tuán)已完全潰滅。

圖3 葉道渦空腔潰滅過程(1)

圖4 葉道渦空腔潰滅過程(2)

因此，葉道渦空化空腔無論是在葉道內(nèi)還是離開轉(zhuǎn)輪后，都會(huì)因壓力降低而膨脹，因壓力上升而收縮或潰滅，并因此而放大或衍生出新生壓力脈動(dòng)。

2 貫流式水輪機(jī)間隙空化空腔的膨脹收縮特性

燈泡貫流式水輪機(jī)多為轉(zhuǎn)槳式，葉片外緣和轉(zhuǎn)輪室、葉片根部和輪轂體之間都有間隙；貫流式水輪機(jī)采用活動(dòng)導(dǎo)葉，導(dǎo)葉兩個(gè)端面也有間隙。有間隙就會(huì)漏水，間隙流速高了會(huì)產(chǎn)生空化，甚至?xí)虼硕苌?、2倍葉頻、導(dǎo)葉過流頻率等高頻壓力脈動(dòng)及振動(dòng)[21]。文獻(xiàn)[21]認(rèn)為，該1、2倍或3倍葉頻壓力脈動(dòng)即由葉片間隙空化空腔引起，是空化空腔隨高程變化膨脹-收縮(甚至潰滅)變化引起的。本次貫流式水輪機(jī)間隙空化高速攝影研究的目的就是為了驗(yàn)證該理論分析的真實(shí)及科學(xué)性。

2.1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)工況簡(jiǎn)介

貫流式水輪機(jī)間隙空化空腔的高速攝影試驗(yàn)采用一臺(tái)4葉片水輪機(jī)模型進(jìn)行，其轉(zhuǎn)輪直徑D1=0.35 m，葉片與轉(zhuǎn)輪室之間的單邊間隙為0.1～0.15 mm。轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況參數(shù)為：最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110=152.7 r/min，Q110=1.567 m3/s。

模型水輪機(jī)為臥式布置，從高壓側(cè)往低壓側(cè)觀察順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，高壓側(cè)居西。模型轉(zhuǎn)輪室為半球形，喉管及尾水錐管采用有機(jī)玻璃制造，對(duì)轉(zhuǎn)輪出水邊及葉片背面的空化觀測(cè)及本次高速攝影通過有機(jī)玻璃進(jìn)行。試驗(yàn)于2021年12月28日在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，攝影頻率同樣為1 200 Hz。

高速攝影在同一導(dǎo)葉開度下進(jìn)行，轉(zhuǎn)速n=923.6 r/min，水頭H=4.2 m，單位轉(zhuǎn)速n11、單位流量Q11也基本保持恒定。表1列出了3個(gè)試驗(yàn)工況的參數(shù)及拍攝位置，其主要參數(shù)區(qū)別在空化系數(shù)，2號(hào)工況的空化系數(shù)小于1號(hào)和3號(hào)工況；拍攝位置分南、北兩側(cè)，區(qū)別在于北側(cè)拍攝葉片由低往高旋轉(zhuǎn)，而南側(cè)拍攝葉片由高往低旋轉(zhuǎn)。

表1 高速攝影工況主要參數(shù)

2.2 間隙空化空腔的膨脹

間隙空化空腔的膨脹特性主要通過北側(cè)位置拍攝的照片觀察(葉片由低往高旋轉(zhuǎn))，對(duì)應(yīng)于表1中的1號(hào)和2號(hào)工況。該位置拍攝的近處葉片往上旋轉(zhuǎn)，環(huán)境壓力逐漸降低。

圖5兩幀照片記錄了2號(hào)工況下隔0.003 33 s時(shí)2號(hào)葉片端部和根部的空化狀況。在圖5a(-2 258幀)中，外緣間隙漏水引起的間隙空化帶為長(zhǎng)條狀(圖中右下角)，比較窄，共兩條；葉片根部法蘭處有一隱隱約約空泡團(tuán)(見圓圈處)，只有一個(gè)亮點(diǎn)，由葉片進(jìn)水邊間隙漏水空化引起。但隨著葉片旋轉(zhuǎn)，2號(hào)葉片外緣及內(nèi)側(cè)各點(diǎn)均向上移動(dòng)，環(huán)境壓力降低，圖5b(-2 254幀)的葉片外緣間隙空化帶變長(zhǎng)、變寬，空化帶由2條變?yōu)?條；葉片法蘭處的空化空腔變大，可看到一個(gè)明顯的銀灰色空泡團(tuán)(見圖5b圓圈處)。

圖5 貫流式水輪機(jī)間隙空化空腔的膨脹過程(2號(hào)工況)

2.3 間隙空化空腔的收縮及潰滅

間隙空化空腔的收縮及潰滅特性主要通過南側(cè)位置拍攝的照片觀察(葉片由高往低旋轉(zhuǎn))，對(duì)應(yīng)于表1中的3號(hào)工況。該位置拍攝的近處葉片往下旋轉(zhuǎn)，環(huán)境壓力隨之逐漸增高。

葉片外緣和轉(zhuǎn)輪室的間隙空化受位置和葉片厚度及間隙大小等多重因素影響，空腔潰滅不明顯，主要通過對(duì)輪轂體與葉片根部間隙空化空腔的觀察進(jìn)行探討。

圖6為1號(hào)葉片法蘭處在3號(hào)工況3個(gè)時(shí)刻的空化狀況。在圖6a(-137幀)中，1號(hào)葉片法蘭處間隙空化空泡團(tuán)(如箭頭所指)比較長(zhǎng)也比較實(shí)；但0.001 67 s后，圖6b(-135幀)該空泡團(tuán)(如箭頭所指)變短、變虛；再過0.004 17 s后，圖6c(-130幀)中空泡團(tuán)已完全消失。究其原因，是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，空泡團(tuán)所在的葉片法蘭處位置降低，環(huán)境壓力上升，使空化空腔體積逐漸收縮，最后完全潰滅。

圖6 貫流式水輪機(jī)間隙空化空腔的收縮及潰滅過程(3號(hào)工況)

試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速n=923.7 r/min，高速攝影頻率為1 200 Hz。如假定該模型輪轂體直徑是轉(zhuǎn)輪直徑的0.4倍，在兩幀照片拍攝間隔的1/1 200 s期間，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)了4.62°。也就是說，如果假定圖6a所示空化空腔在輪轂體最高處，則到圖6b位置時(shí)高程下降11.2 mm，到圖6c位置時(shí)高程下降37.4 mm，高程的降低造成該空化空腔的潰滅消失。

2.4 間隙脫流的渦街特性

圖7為多條空化帶組成的葉片外緣間隙空化狀況。如圖7所示，在2號(hào)工況的間隙空化照片中，可發(fā)現(xiàn)許多葉片外緣空化空腔并非由一條空化帶組成，許多由多條空化空腔帶組成，其中的-1 944幀由5條空化空腔帶組成，-1 636幀由4條空化空腔帶組成。這類間隙空化帶的詳細(xì)觀察、分析后認(rèn)為：