近年来水轮机模型试验技术的发展

赵 越, 吕延光, 黎 辉, 吴可君

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

近年来水轮机模型试验技术的发展

赵 越, 吕延光, 黎 辉, 吴可君

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

水轮机是一门理论分析和试验研究相结合的学科，世界水电研究领先公司和科研机构，在重视流体动力学分析（CFD）技术和手段的同时，无一不重视模型试验测试技术的提高和模型试验研究等关键环节。本文介绍了近年来国内在水轮机模型试验中的技术研究和技术进步。

水轮机; 模型试验; 技术研究; 技术进步

1 前言

自1998年三峡水轮机技术引进以来，十年间国内水轮机模型试验技术取得了长足的进步。国内具有水轮机研发能力的企业及研究机构均在提高试验能力、扩展研究领域、加深研究力度、全面同国际接轨和确保试验结果的可靠性等方面做了大量的工作并取得了可喜的成绩。

本文将就近年来国内水轮机模型试验技术的相关进步做一简要介绍。

2 试验能力的提高

作为水轮机模型试验基础的高水头闭式水轮机模型试验台数量的多寡，在某种程度上代表着水轮机开发能力和水轮机模型试验能力的高低。世界上任何一家著名的水电制造企业都拥有多座水轮机模型试验台。在重视模型试验台数量的同时，各国水轮机制造商还都特别注重水轮机模型试验台的专用性。根据水轮机的比转速不同，一般轴流式（贯流式）和混流式模型水轮机都在各自专用的试验台上进行试验。

近年来，国内具有自主研发能力的企业及研究机构均对其原有的水轮机模型试验台进行了改造并尽最大可能新建了一批专用水轮机模型试验台。

哈尔滨电机厂有限责任公司(以下简称哈电)在90年代中后期将上世纪80年代前期建设的国内第一座高水头水力机械通用试验台（高I台）进行了测试系统和电气拖动系统的技术改造，使其更加符合当前水轮机模型试验的要求外，还于90年代后期建设了水力机械高水头试验II台（高II台），并于2000年投入商业运行。与高I台这样的水力机械通用试验台不同的是，高II台是一座专用的水轮机模型试验台。如图1所示，高II台的两个工位分别按照不同类型水轮机的模型试验要求设计。A工位（图中右侧）专门用于混流式水轮机和水泵水轮机的模型试验研究，而B工位（图中左侧）则专门用于轴流式水轮机和贯流式水轮机的模型试验研究工作。目前，哈电拟新建四座专用的水轮机模型试验台，第一期建设两座，将分别用于贯流式（轴流式）和水泵水轮机的研究，预计2010年投入运行。

东方电机有限公司（以下简称东电）也在本世纪初对其原有的高台和大流量试验台进行了测试系统和电气拖动系统的改造，并正在新建四座新的水轮机模型试验台。

中国水利水电科学研究院在北京大兴试验研究基地新建了三座水力机械通用试验台，用于进行第三方中立试验及相应的研发工作。

上述企业及研究机构对已有试验台的技术改造尤其是一大批新试验台的建设，极大地提高了国内水轮机模型的试验能力。

图1 哈电水力机械高水头试验II台系统

3 水轮机模型试验研究领域的拓展

3.1 由单纯的外特性研究发展为兼顾外特性和内特性的研究

水轮机的能量特性、空化特性、飞逸特性和压力脉动特性是水轮机内部流动规律的外部表现，通常又被称为水轮机的外特性。传统的水轮机模型试验是对模型水轮机的能量特性、空化特性、飞逸特性和压力脉动特性进行研究，并以此推知与模型水轮机几何模拟的原型水轮机的相应的性能特性。此即为外特性试验。由于外特性试验无法直接揭示水轮机性能变化的原因，因此，以转轮叶道涡、转轮叶片正背面脱流和叶片出口可见卡门涡观测为代表的水轮机内特性研究就越来越成为模型水轮机试验研究的重要领域。

为此，国内具有研发能力的制造厂家及研究机构均开发了用于水轮机内特性研究的模型水轮机流态观察成像系统。通过高清晰视频图像对模型水轮机转轮进出口和尾水管锥管处的流动情况加以研究。

图2为某模型水轮机转轮进出口处的流动情况：其中左侧大图为水轮机转轮叶道涡的情况，右上图为水轮机转轮出口流动情况，右下图为尾水管涡带情况。图3所示的水轮机模型特性曲线上标出了转轮叶片正背面脱流、叶道涡和叶片出口处卡门涡的情况。

随着对水轮机内特性研究能力的提高，水轮机内特性的研究已成为水轮机模型试验研究的一项常规项目。水轮机内特性试验为空化、稳定性和转轮裂纹的研究开辟了一条新的途径，使水轮机模型试验技术进入到了兼顾内外特性研究的新阶段。

图2 模型水轮机转轮进出口处的流动情况

3.2 由单纯的稳态过程研究发展为通过稳态研究来解决某些瞬态过程的问题

从传统意义上讲，水轮机模型试验所研究的问题均为水轮机稳态过程中的现象，由于引水系统和调节过程中时间常数的不同，在常规的水轮机模型试验台上无法进行水轮机瞬态过程的试验研究。

随着对水轮机基本规律认识的深入及试验技术的进步，某些原本无法采用稳态试验结果研究的瞬态过程现象，也开始尝试利用稳态试验的结果加以研究。

哈电针对某电站水轮机曾发生过在大波动过程即将结束时出现抬机及剧烈振动现象，在优化导叶关闭规律的同时，还在模型试验台上开展了利用水轮机稳态过程的研究来探索瞬态过程中不稳定机理的工作。首先，对该混流式水轮机的四象限特性，特别是在机组出现不稳定现象的极小导叶开度时的水轮机制动和反水泵工况的特性进行了研究。然后，将原型机实际的导叶关闭轨迹点绘制在上述水轮机四象限特性曲线上（如图 4所示）。从图中可以发现，在现有的关闭规律下，当模型水轮机导叶开度关闭至3～6mm时，水轮机从制动工况进入到了反水泵工况，从而发生了抬机现象；而随着导叶进一步关闭，水轮机从反水泵工况进入到准零流量状态，引发水锤现象从而引起剧烈地振动。根据上述原因提出的导叶关闭规律，在最后一段关闭时适当延长了关闭时间。采取上述措施后，该水轮机甩负荷时再也没有出现抬机及剧烈振动现象。

虽然上述案例仅为个案，但却为通过对水轮机的稳态研究来解决某些瞬态过程发生的问题提供了一个良好的开端。

图3 带流态观察结果的模型特性曲线

图4 某水轮机的四象限特性曲线（局部）

4 相关领域研究的深入

在积极拓宽研究领域的同时，水轮机常规模型试验项目压力脉动、空化、效率和飞逸转速等方面的研究深度都有了长足的进步。

4.1 压力脉动研究的深入

4.1.1 压力脉动试验仪器完成了由静态传感器到动态传感器的转变

模型水轮机压力脉动测量长期以来一直采用静态传感器。在传感器技术日臻完善的今天，由于动态传感器的性能已足以满足水轮机模型试验的要求，国内各有实力的水力试验室在进行水轮机模型试验研究时都全面采用了动态传感器进行压力脉动的测量。采用频率响应范围更高的动态传感器及相应的测量系统后，可以在更宽的频率范围内对水轮机压力脉动现象进行研究。

4.1.2 不同空化基准情况下的压力脉动研究

由于空化基准面是对应于空化的发生位置来选择的，而发生最大空化的位置不一定在机械基准面上，这就会导致空化基准面与机械基准面位置的不同。针对此种情况，国内各研究机构都曾进行过在不同的空化基准下的水轮机压力脉动试验研究。该项试验研究为保证水轮机的安全运行提供了试验数据。

4.1.3 高部分负荷压力脉动现象的研究

对于像三峡水轮机这样的巨型机组，由于其相应部件结构尺寸的增大，其相对刚度和固有频率势必随之下降。而在高部分负荷出现、压力脉动幅值较高且主频高于 1倍转频的高部分负荷压力脉动现象由于其具有较高的能量，特别是其主频高于机组的转频，使机组某些结构部件与水力频率发生共振的几率大为提高。为保证大型、巨型机组的运行稳定性和安全性，哈电、东电等制造企业对高部分负荷压力脉动现象都进行了深入地研究并对高部分负荷压力脉动发生、发展的一般规律有了一定的认识。哈电生产的三峡右岸水轮机在整个运行范围内没有高部分负荷压力脉动现象发生。

4.1.4 对水轮机模型与原型间压力脉动幅值关系的研究取得阶段性成果

通常认为，由于水轮机模型与原型间与外界的各种相互作用或其流体特性不同，原型压力脉动幅值与直接由模型试验转换过来的值有很大差异，即无法建立起模型与原型之间的压力脉动幅值间的关系。而通过对模型与原型测点位置严格对应的三峡水轮机的压力脉动幅值的研究（如图5所示）可以发现，在中高出力时，模型与原型的压力脉动幅值的变化趋势基本相同，而在低负荷时，可能由于流动情况比较复杂，模型与原型间的对应关系并不十分明显。该项研究证实了在水轮机长期运行的中高负荷区域，水轮机模型与原型间的压力脉动幅值的变化趋势是一致的，这就为通过模型水轮机的压力脉动研究原型水轮机的稳定性提供了试验依据。

4.1.5 压力脉动随吸出高度的变化规律的研究

为保证水轮机压力脉动在吸出高度变化范围内都能处在可接受的范围内，进行了压力脉动随吸出高度变化的研究。压力脉动随吸出高度的变化趋势如图 6所示，在一定的吸出高度变化范围内，水轮机压力脉动幅值基本不发生变化，随着吸出高度的进一步降低，水轮机压力脉动幅值会呈现一种随着吸出高度的降低而不断增大的趋势，压力脉动达到最大值后，又随着吸出高度的降低而降低直至恢复到基本不随吸出高度的降低而变化的状态。该项研究为合理选择水轮机安装高程及保证水轮机的长期稳定安全运行奠定了理论基础。

图5 机组出力与压力脉动幅值关系曲线

图6 吸出高程与压力脉动幅值关系曲线

4.2 空化研究的深入

常规的空化研究是通过研究诸如效率、流量和振动噪声等水轮机外特性的变化而确定空化现象的发生，此时，空化现象已达到相当规模足以影响到水轮机的外特性。而随着水轮机大型化、巨型化程度以及对水轮机无空化运行要求的不断提高，对水轮机，特别是水轮机转轮叶片吸力面上何时何处开始发生空化的研究，即初生空化现象的研究就显得十分重要了。

初生空化现象发生时并没有引起上述外特性的显著变化，只能在模型试验中利用尾水锥管透明段及频闪同步技术，确定何种工况下转轮叶片吸力面上何处有气泡初生，即发生初生空化现象。根据初生空化现象的观测结果，可以适当地对水轮机进行局部修型，以达到避免在该处发生气泡的作用；另外，还可以依此适当地调整水轮机运行范围来保证水轮机在运行范围内无空化运行。

初生空化现象的研究，使水轮机空化研究不仅能通过外特性进行研究，还能够对内特性和外特性同时进行研究，不仅可以从外部表象上探知空化现象，更重要的是，能够从发生机理层面对空化现象进行分析，从而使对空化现象的研究上升到一个更高的层次。

4.3 模型水轮机效率试验和飞逸转速试验的进步

4.3.1 电站空化系数下的模型水轮机效率试验和飞逸转速试验

常规的模型水轮机效率和飞逸转速试验都是在高空化系数下进行的。虽然在高空化系数下进行的模型水轮机效率和飞逸转速试验在工程上已经具有足够的精度，但由于在电站空化系数下进行模型水轮机的效率和飞逸转速试验更能反应原型水轮机的真实运行情况，且目前水轮机模型试验台的技术水平已完全具备在电站空化系数下进行模型水轮机的效率和飞逸转速试验的能力，故而目前模型水轮机的全部效率试验及飞逸试验的若干关键特征点试验都在目标电站空化系数下进行。

对于特定电站而言，在其电站空化系数下进行模型水轮机的效率和飞逸转速试验不但保证了试验资料的专有性，更重要的是模型试验结果更接近于原型机的实际运行情况。这对模型试验技术而言无疑是一项进步。

4.3.2 考虑机组摩擦损失和风损计算的模型水轮机飞逸转速试验

常规的模型水轮机飞逸转速试验通常采用内插法来得出水轮机的飞逸特性。如果直接按照模型试验的结果换算到原型机上，则由于没有考虑原型机所受到的各种摩擦损失而使预期的原型机飞逸转速偏大，给发电机设计造成不必要的困难。

目前，在进行模型水轮机飞逸转速试验时，特别是在最大飞逸转速左右处，除进行内插法所必需的零力矩附近的常规测量外，还专门增加了力矩接近零处的测量点数，如图 7所示。在换算到原型机时，按照模型试验结果获得的机组在飞逸转速附近处的出力变化趋势曲线与机组摩擦损失和风损之和的曲线的交点处的飞逸转速即为机组预期的飞逸转速。按此方法获得的机组预期的最大稳态飞逸转速为 n ′Rmax,P，较常规的换算方法降低了（nRmax,P- n′Rmax,P），如图8所示。此方法从原理上讲更趋合理，计算出的机组预期飞逸转速更接近实际值。

图7 飞逸转速试验曲线

图8 考虑机组摩擦损失和风损的原型水轮机飞逸转速的确定

5 结语

作为水轮机研发重要手段的水轮机模型试验技术是水轮机行业中发展最迅速的领域之一。近年来国内各企业及研究机构的模型试验技术不论是在试验能力、研究范围还是研究深度上都有了长足的进步。原已居世界先进水平的水轮机模型试验技术又上了一个更高的台阶。

[1] IEC60193-1999（second edition）, Hydraulic turbines,storage pumps and pump-turbines-Model acceptance tests[S].

[2] 哈尔滨大电机研究所. 水轮机设计手册[M]. 北京:机械工业出版社, 1976.

The Technology Research and Progress of Model Turbine Test in Recent Years

ZHAO Yue, LU Yan-guang, LI Hui, WU Ke-jun
（Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China）

Hydraulic turbine is a combination subject of theory analysis and test research. CFD is the major technology method, at the mean time, the world advanced hydro-power company and science research institute pay more attention to improve the ability of measurement technology and model test research. This test will introduce the technology research and progress of model test in recent years.

hydraulic turbine; model test；technology research; technology progress

TK730

B

1000-3983（2010）01-0041-05

2008-08-27

赵越（1967-），1988年毕业于吉林工业大学机械制造工艺设备及自动化专业，一直从事水轮机模型及原型机测试工作，高级工程师。