混流式水轮机尾水管压力脉动试验分析

王林

（浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 310000）

混流式水轮机尾水管压力脉动试验分析

王林

（浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 310000）

压力脉动产生于机组运行过程的非定常流场，是引起水轮机组振动及不稳定运行的主要水力振动源之一。其中，尾水管的螺旋状涡带是引起水力振动的最主要因素。本文通过对混流式水轮机模型试验，研究了混流式水轮机尾水管内压力脉动与空化系数、泄水锥形状及补气量的相互关系。

混流式水轮机；尾水管压力脉动；空化系数；泄水锥形状；补气量；模型试验

1 概述

近年来，随着水轮机单机容量及转轮直径的不断增大，水轮机的水力振动等稳定性方面的问题越来越突出。机组振动、轴系摆度和压力脉动是表征水轮机组稳定性的3个主要参数。水力振动作为影响水电机组安全稳定运行的重要因素，是近年来国内外研究的重点。研究表明，导叶和转轮叶片出口处的卡门涡、转轮中的叶道涡和尾水涡带产生的压力脉动是引起水力振动的主要因素。

本文通过对混流式水轮机的模型试验，研究了泄水锥形状、空化系数及补气等与尾水管压力脉动的关系。

2 模型水轮机主要参数

模型水轮机主要参数：

模型试验水头：30 m；

模型水轮机转轮直径D1m：0.348 9 m；

模型转轮出口直径D2m：0.35 m。

模型水轮机尾水管测压点布置示意图见图1。

3 压力脉动影响因素试验研究

3.1 压力脉动与空化系数的关系

图1 模型尾水管测压点布置示意图

σ—即空化系数，又分为临界空化系数σc（与规定的能量下降值相联系的空化系数，可取σ0或σ1，σ1为水轮机效率下降1%时的空化系数，σ0为水轮机效率开始下降时的空化系数，为方便观察，模型试验中常取σ1）、初生空化系数σi（目测观察到转轮三个叶片同时产生气泡时的空化系数）及电站空化系数σp等，其关系为：σ1≤σc≤σ0＜σi＜σp。

Pa/γ—当地的大气压力，Pa/γ=10.33-/900，m—当地海拔高程，m。

Pν/γ—当时水温下的饱和气化压力，随温度升高而增大。

当t=20℃时，Pν/γ≈0.24 m。

Hs—吸出高度，即空化基准面与尾水位的高差，m。对混流式水轮机，空化基准面即导水机构中心线所在平面。

H—水头，m

则公式（1）可简化为：

公式（2）即为工程中常用的空化系数计算公式。从（2）可以看出，当水头H不变时，空化系数σ是仅与吸出高度Hs线性相关。在模型试验时，通过改变吸出高度Hs计算临界空化系数σc。

将模型机固定在某一工况不变（即保持模型机水头Hm，单位转速n11，导叶开度a0不变），通过改变吸出高度，即可测得空化系数与尾水管压力脉动的变化。试验结果图2所示。

3.2 压力脉动与泄水锥几何形状的关系

对模型转轮带原型泄水锥和加长型泄水锥2种结构进行对比试验。转轮泄水锥结构示意图如下页图3和图4所示。

针对真机的最小水头，额定水头，中间水头（发最大出力的最小水头）以及最大水头4种工况，共进行了n11=91.5 rpm，83.2 rpm，80.9 rpm及74.4 rpm 4个单位转速下的压力脉动试验。不同泄水锥形状压力脉动试验结果如下页图5所示。

3.3 压力脉动与补气量的关系

模型试验时，保持导叶开度和水头不变，通过短管向尾水管中注入一定量的压缩空气，测量尾水管压力脉动的变化。压力脉动与补气量的关系曲线如图6所示。

4 结论

通过模型试验，针对上述测量结果，可以得到以下一些结论：

图2 尾水管压力脉动与空化系数关系曲线示意图

图3 带原形泄水锥的模型转轮示意图

图4 带加长泄水锥的模型转轮示意图

图5 不同工况下尾水管压力脉动与泄水锥形状关系曲线示意图

（1）当水轮机单位转速较高时（相当于水轮机低水头运行工况），尾水管压力脉动在不同空化系数下均有较大波动，说明此时空化系数对压力脉动的影响不大。当单位转速降低（即水头升高），随着空化系数的增大，压力脉动呈逐步减小的趋势，当空化系数大于某个值时（不同水头下不一致），压力脉动基本稳定在一个较低的数值。由此即可计算出不同水头下的最小吸出高度Hs。

图6 尾水管压力脉动与补气量关系曲线示意图

（2）在部分负荷（小流量）时，尾水管会产生较大的压力脉动，在满负荷或超负荷时，压力脉动会保持在一个较低的水平。长泄水锥可有效降低部分负荷下尾水管的压力脉动的峰值（最大值）。但并不是所有工况下都能降低压力脉动。同样在部分负荷工况时（偏离压力脉动最大值的区域），长泄水锥反而会加剧尾水管压力脉动。

（3）在低水头小开度的工况下，补气能有效的降低尾水管的压力脉动。当水头升高或导叶开度增大时，补气的效果已不明显，某些工况下，甚至会加剧尾水管的压力脉动。

综上所述，对混流式水轮机组的防振和减振，主要是消除或减弱尾水管中螺旋状涡带引起的压力脉动。目前工程上常用的减振措施：一是改变泄水锥形状；二是选择合理的吸出高度（即选择适当的空化系数）；三是补气。另外还有一些措施，如在尾水管中加装导流板，或在尾水管中加装同轴圆管等，这些措施虽然能降低尾水管的最大压力脉动，但由于破坏了尾水管中的流态，会降低水轮机在某些工况下的效率，且会使尾水管空化加剧，只能作为备用措施，其他措施无效或效果不大时采用。对一些剧烈振动的区域，若无法有效降低压力脉动，必须避免在此工况运行，防止损坏设备或造成安全事故。

TV131

A

1672-5387（2016）07-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.002

2016-04-17

王 林（1979-），男，工程师，从事水轮机设计工作。