基于压力测量的水轮机圆筒阀模型试验研究

刘文杰，徐用良，赵景芬，童文波（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；3. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）



基于压力测量的水轮机圆筒阀模型试验研究

刘文杰1,2,3，徐用良1,2,3，赵景芬1,2,3，童文波1,2,3
（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；3. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

[摘要]本文介绍了改进后的圆筒阀模型装置结构，通过测量圆筒阀各部位受到的水压力，得到了一种新的研究模型圆筒阀水力性能的试验方法。并在此装置上对圆筒阀的水力性能试验进行了详细的研究。

[关键词]水轮机；圆筒阀；模型试验

0　引言

近年来，随着水轮机闸门设计、制造和运行技术的发展，水轮机圆筒阀应运而生，它是布置在水轮机固定导叶和活动导叶之间的圆筒形阀门。圆筒阀结构的不断完善和在各种水轮机中的应用实践，它显示出诸多明显的优越性[1]。此外，我国含砂河流较多，水轮机泥砂磨损问题突出，应用圆筒阀可以较好地解决这类问题[2]。国内许多电站都要求采用此项先进技术。因此，圆筒阀的开发研制及模型试验具有极其重要的作用。

上世纪末期，大电机研究所已对模型圆筒阀装置结构以及水力性能进行了研究。主要采用马达驱动和接力器驱动实现圆筒阀开启和关闭，通过在丝杠上粘贴应变片，测量圆筒阀在不同位置和导叶开度下的轴向操作力。本文在已有经验的基础上，将模型装置结构进行适当改进，通过测量圆筒阀所受的压力,得到了一种新的研究圆筒阀水力性能的试验方法。

1　模型装置的设计

1.1提升机构

圆筒阀的开启和关闭通过一部电机带动四部升降机同步升降，拉动四根操作杆带动圆筒阀同步升降，其中四个连接杆下部与圆筒阀固定，从顶盖和相邻的导水机构连杆转臂之间穿出，如图1所示。

图1　提升机构

1.2模型装置及筒阀阀体模型

试验装置为某在建水电项目模型装置，模型转轮直径420mm。圆筒阀阀体模型内径Φ540mm, 外径Φ556mm, 高76.68mm，壁厚8mm。

1.3传感器布置

试验采用美国PCB公司生产动静态绝压传感器进行压力测量，在模型装置上布置5组共10个传感器，每组都是180度对称分布，每组传感器分别测量筒阀下端面PB、上端面外延PC、上端面PD、内壁PE和外壁PF的压力，传感器的分布如图2所示。

图2　压力传感器布置简图

1.4密封结构

由于是通过压力的测量来分析圆筒阀的受力，筒阀密封结构决定了试验的成败。在圆筒阀与座环、顶盖以及传感器座之间装设密封。筒阀与座环之间的密封采用压板把橡胶密封环压在底环凹槽中,筒阀与顶盖之间的密封采用成型橡胶环并用压板压在顶盖上，筒阀与传感器座之间的密封也采用成型橡胶环并用压板压在筒阀上。

1.5行程控制

整套装置由一组上升和下降按钮控制，圆筒阀全开与全关分别对应筒阀下端面与顶盖下端面、座环下端面平齐。整个上下行程通过编码器和计数器进行监测，试验前对计数器进行标定，得到圆筒阀开启程度和计数器的对应关系，如图3所示。

图3　计数器与筒阀开度关系

2　圆筒阀模型试验原理和试验方案

2.1试验原理

通过同步提升机构控制圆筒阀的开启和关闭，计数器控制圆筒阀开启和关闭的位置，压力传感器测得不同筒阀位置和导叶开度下的筒阀受力。每组测点的测力杆其下部与圆筒阀固定，测力杆的上端与测力传感器连接，传感器电信号输出引线至数据采集系统，如图4所示。通过PB、PC和PD处受力，得到圆筒阀的轴向受力；通过PE和PF处受力，得到圆筒阀径向受力。

图4　测力杆及测量原理图

2.2试验方案

针对某电站的额定水头和最大水头所对应的两个不同的单位转速，在覆盖该电站的整个运行范围的导叶开度A0=6mm，10mm，14mm，18mm，22mm，26mm 和30mm，在圆筒阀开度为100%，80%，60%，40%，20%，10%，8%，6%，4%和2%（100%为圆筒阀全开位置）时，进行下列内容的试验研究：

通过圆筒阀上、下端面受力分析，计算出圆筒阀的轴向拉力及变化趋势。

通过圆筒阀内、外壁受力分析，计算圆筒阀的径向受力情况。

筒阀与导叶关闭，对水轮机效率和流量的影响。

通过尾水管的动态压力传感器，分析在正常工况与飞逸工况下，尾水管压力脉动情况。

3　模型试验结果及分析

3.1圆筒阀轴向拉力

圆筒阀的轴向拉力系数定义为：

KRG=FαM/(r·g·π·HM·d·h)

其中：FαM——圆筒阀模型受到的轴向拉力；

HM——模型试验水头；

d——圆筒阀壁厚；

h——圆筒阀高度。

图5为对应某电站原型机最大水头的单位转速时，在不同导叶开度和不同圆筒阀开度下，圆筒阀轴向拉力试验结果。左图为定导叶开度，筒阀开度与轴向拉力的变化规律；右图为定筒阀开度，导叶开度与轴向拉力的变化规律。从图中可以看出，在不同导叶开度下，随着筒阀的关闭，轴向拉力的变化规律是一致，都是随着筒阀的关闭，轴向拉力逐渐增加，在8%～10%筒阀开度范围内出现极值；随着筒阀开度的进一步减小，轴向拉力也随之减小。

图5　不同工况下圆筒阀轴向拉力试验结果

图6分别列出了不同导叶开度下，对应某电站原型机最下水头、额定水头以及飞逸三个不同工况下的圆筒阀开度与轴向拉力的比较曲线。可以看出，相同导叶开度和不同运行工况下，圆筒阀轴向拉力随筒阀关闭规律是一致的，能量状态下的筒阀拉力大小基本上是一样的，而飞逸工况的圆筒阀拉力略小于能量状态。

图6　相同导叶开度下，不同工况圆筒阀轴向拉力比较

3.2圆筒阀径向受力

通过布置在圆筒阀内壁和外壁的压力传感器，能得到筒阀内、外壁所受的径向力。图7为圆筒阀的径向受力情况，左图实线为筒阀外壁受力情况，虚线为内壁受力情况。随着圆筒阀的关闭，筒阀外壁受力先略有下降，进而逐渐上升；而内壁受力随着筒阀的关闭逐渐减小。随着开口的增加，外壁和内壁受力下降得越明显。图7右图为径向受合力分析结果，筒阀受径向力方向指向轴心，大小随着筒阀的关闭逐渐增大。由于圆筒阀各向对称结构，内壁与外壁受力不一致，会使筒阀产生挤压，不会使阀体产生倾斜。

图7　圆筒阀径向受力分析

图8分别列出了不同导叶开度下，对应某电站原型机最下水头、额定水头以及飞逸三个不同工况下的圆筒阀开度与径向拉力的比较曲线。可以看出，在相同导叶开度的不同运行工况下，圆筒阀径向拉力随筒阀关闭规律是一致的，能量状态下的筒阀拉力大小基本上是一样的，而飞逸工况的圆筒阀拉力除了在筒阀即将关闭的位置外，基本上都小于能量状态。

3.3圆筒阀关闭对水轮机流量、效率和飞逸转速的影响

从图9和图10可以看出，随着筒阀的关闭，水轮机流量、效率以及飞逸转速都逐渐减小；随着导叶开口的增加，水轮机流量、效率和飞逸转速减小的幅度也是增加的。

图8　不同运行工况下圆筒阀径向拉力比较

图10　筒阀关闭对飞逸转速的影响

3.4尾水管压力脉动

图11和图12分别为能量状态和飞逸状态下，圆筒阀的关闭与尾水管压力脉动变化规律。尾水管锥管上游和下游呈现的规律是一样的。在能量状态的小开度下，尾水管压力脉动幅值基本上不随筒阀开度的变化而变化；在中等大小开度下，尾水管压力脉动幅值在随着筒阀关闭过程中出现一次峰值；在大开度下，尾水管压力脉动幅值随着导叶开度的关闭先下降在升高再下降。在飞逸状态下，尾水管压力脉动幅值随着筒阀开度的关闭逐渐减小。

3.5模型试验结果与水力计算比较

我们在进行圆筒阀力特性试验的同时，还从理论上对圆筒阀的力特性进行了分析。采用CFD计算的手段，对圆筒阀在不同开度，不同工况下受力进行分析，并与试验结果进行比较，以便更加全面地认识圆筒阀的力特性。

图11　能量状态下，圆筒阀关闭与尾水管压力脉动变化规律

图12　飞逸状态下，圆筒阀关闭与尾水管压力脉动变化规律

图13　圆筒阀下端面受力的试验值与计算值比较

4　结论

（1）改进模型装置采用了同步升降机、编码器和计数器，能使模型圆筒阀在狭小的空间里同步升降和准确的定位。

（2）采用压力传感器的测量方法，同样能分析得到一系列圆筒阀的水力特性结果。

（3）CFD计算结果也进一步验证了该方法的可行性。

[参 考 文 献]

[1]王民富, 孔庆怀, 赵越. 水轮机圆筒阀的试验研究[J]. 大电机技术, 1994(4): 42-48.

[2]赵越, 阮华福, 袁柏新, 韩晓棠. 水轮机圆筒阀试验研究[J]. 水力发电学报, 1998(2): 69-78.

[3]应金仁, 陈梁年, 佐藤晋作, 水轮机圆筒阀研发技术[J]. 西北水电, 2012(S1): 150-153.

[4]郭宗彦. 国外水轮机圆筒阀的发展概况[J]. 水力水电技术, 1987(4): 60-64.

刘文杰（1985-），2009年毕业于哈尔滨工程大学，现从事水轮机测试工作，工程师。

审稿人：赵越

辅机及其他

Model Test Research of Ring Gate Based on Measuring Pressure

LIU Wenjie1,2,3, XU Yongliang1,2,3, ZHAO Jingfen1,2,3, Tong Wenbo1,2,3
(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China; 2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 3. Harbin Institute of Large Electric Machinery, Harbin 150040, China)

Abstract:This paper introduced one improved model equipment of ring gate. According to measure the water pressure for different parts of cylinder valve, one new test method to research the hydraulic performance of cylinder valve was obtained. And the corresponding hydraulic tests on the cylinder valve were researched at the model equipment

Key words:turbine; ring gate; model test

[作者简介]

[收稿日期]2014-11-11

[中图分类号]TK730.4+7

[文献标识码]A

[文章编号]1000-3983(2016)01-0054-05