混流式水轮机压力脉动评价方法研究

桂中华，乐振春，董阳伟，唐拥军，徐洪泉，陈 瑞

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.中国水利水电科学研究院，北京市 100038）

0 引言

众多研究成果[1，2]表明，尾水管的水压力脉动是影响水轮机水力稳定性的主要因素之一，水轮机尾水管的压力脉动不仅会引起机组的振动、出力的摆动，而且还会造成叶片裂纹和尾水管壁撕裂等，严重时甚至还会引起水力机组和水工建筑物的共振[3，4]，直接威胁到电站的安全稳定运行。因此，长期以来在水轮机模型研制阶段就非常重视尾水管压力脉动的研究，并在水轮机模型验收试验都规定了压力脉动相对幅值ΔH/H的允许值，作为验收和评价该水轮机稳定性的依据。

近年来，随着我国大型水电站的不断开发，机组的容量和运行水头变幅范围不断增大，采用以往尾水管压力脉动ΔH/H作为验收和预测机组运行稳定性已不再合适。本文针对水头变幅范围大的混流式水轮机，研究了其压力脉动与振动稳定性的相关关系，并对大变幅混流式水轮机压力脉动在不同水头段采用不同ΔH/H作为验收进行稳定性评价。

1 压力脉动验收及评判的现状

目前在水轮机压力脉动现场测试验收试验中，一般在尾水管锥管距进口L处的上、下游侧（+Y、-Y）布置两个测点（就混流式水轮机，L=0.3D2，D2为转轮叶片低压边与下环交点的直径）[5]，测量各工况的压力脉动，进而研究和预测水轮机尾水管压力脉动与机组振动问题，并将该测点各工况的压力脉动相对幅值ΔH/H作为验收和评价该水轮机稳定性的依据。

表1中列出国内外一些厂家对压力脉动的保证值，从表中可见，国内外不同厂家提出的压力脉动保证值都不相同。目前我国大多用户对中型电站要求压力脉动相对双振幅值ΔH/H≤7%；对于大型电站要求压力脉动相对双振幅值ΔH/H≤5%。但由于各个电站的具体情况不同、参数不同、对不同的电站要求相同的或非常相近的压力脉动值已经不能满足电厂稳定运行的需要。特别是近年来，我国大变幅巨型水轮机数量的增大，这一问题越来越突出。

2 压力脉动评价方法研究

2.1 尾水管压力脉动评价标准ΔH/H存在的局限性

由于我国的水电站通常要兼顾防洪、灌溉、供水、航运和发电等多项任务，因此电站的水头变幅较大，如三峡、大朝山、天生桥Ⅰ级、小浪底、五强溪、岩滩等其最高水头与最小水头的比值都超过了1.6。近年来，大型混流式水轮机的运行经验表明，水头变幅较大的机组，采用统一的压力脉动ΔH/H值来评价稳定性是很不够的，因为同一个ΔH/H值，高低水头对机组的稳定性影响大不一样。

表1 国内外部分厂家对尾水管压力脉动的保证值Tab.1 Draft tube pressure pulsation guarantee value of some manufacturers in domestic and overseas

下面就以某机组在升水位过程中的实测结果来说明同一个ΔH/H在高低水头时对机组稳定性的不同影响。

图1 某机组不同水头下压力脉动、振动和摆度变化趋势Fig.1 Variation trend of pressure pulsation，vibration and run-out of a unit at different heads

某电站运行水头变幅大（最大水头113.0m，额定水头80.6m，最小水头61.0m），又担任调峰任务，负荷变化大，机组运行条件比较复杂，为了解真机在不同运行水头下的压力脉动、振动、摆度与噪声等稳定性参数，划分机组稳定运行区域和指导机组优化运行，该电厂组织开展了一系列的升水位机组稳定性与能量性能试验。图1是某机组在不同水头下（83m、96.7m和104.5m）压力脉动、振动和摆度的变化情况，通过对比可以看出：

（1）随着水头的升高，尾水管（测点距转轮出口约0.3D2处）压力脉动相对混频幅值呈下降的趋势，尾水管涡带区逐渐向高负荷扩展。

（2）随着水头的升高，水导摆度混频幅值呈上升的趋势。

（3）随着水头的升高，顶盖水平振动和上机架水平振动都呈上升的趋势。

该机组稳定性试验结果表明：随着水头的升高，压力脉动相对值减少，而机组振动却增大。说明压力脉动相对值低的高水头，水轮机运行稳定性却并不好。因此，水头变幅大的机组，不能采用统一的压力脉动ΔH/H值来评价机组的稳定性。

2.2 ΔH作为水压脉动评价标准的不足

随着水头的升高，ΔH/H降低，机组振动反而增加，这是因为机组的振动与激振力成正比，而激振力是与压力脉动绝对值ΔH而不是相对值ΔH/H成正比。因此用ΔH来评价机组稳定性比ΔH/H要合理。

图2为根据该机组升水位实测数据整理的结果。其中图2（a）为不同水头下ΔH/H对机组振动的影响，高、低水头上机架水平振动的λ/（ΔH/H）值之比为2.43，高、低水头顶盖水平振动的λ/（ΔH/H）值之比为2.27；图2（b）为不同水头下ΔH对机组振动的影响，高、低水头上机架水平振动的λ/（ΔH）值之比为1.53，高、低水头顶盖水平振动的λ/ΔH值之比为1.47。从数据分析来看，用ΔH作为机组稳定性评价标准，高水头时振动与压力脉动比值与低水头时相比缩小了不少。由此看来，用ΔH评价振动比ΔH/H的确更为合理。

但从图2（b）曲线的发展趋势可以看出，λ/ΔH比值仍随水头上升而增大，也就是说高水头时的ΔH对机组振动的影响仍比低水头要大。可能原因是尾水管压力脉动不能反映作用在转轮上的全部作用力。

2.3 压力脉动评价方法的讨论

从以上分析可以得知，单纯的ΔH/H或ΔH都不能表征原型机组振动稳定性水平。对于同一个压力脉动值在高水头所引起的不稳定现象要比低水头时严重。但对于这一问题的解释，目前还缺少统一的认识。由于机组振动稳定性水平是由激振力的大小和频率以及机组振动部件的静动力响应特性两个方面共同决定的。作用在机组上的激振力也不仅仅只有尾水管压力脉动一种，人们目前所关注的尾水管压力脉动不能反映作用在转轮上的全部作用力，而且它也不一定具有决定性的作用。因此，在关注机组振动稳定性时，应全面关心各种主要激振力的综合作用结果。

图2 某机组振动与压力脉动的关系Fig.2 Relation between vibration and pressure pulsation of a unit

在不同水头下压力脉动与振动的关系还未研究清楚之前，评价水头变幅大的混流式水轮机的压力脉动时，宜根据水头和负荷，将运行区划分成若干小区域，对每一区域分别制定ΔH/H最大允许值作为压力脉动的评价标准。按照这一思路，制定了某机组尾水管压力脉动允许值如表2所示。

表2 某机组尾水管压力脉动允许值Tab.2 Permissible value of draft tube pressure pulsation of a unit

3 结束语

尾水管压力脉动是影响混流式水轮机运行振动稳定性的主要因素之一，也是反映转轮性能的重要指标之一。研究制定尾水管压力脉动的评价标准非常重要。本文通过某机组升水位试验，分析不同水头下压力脉动变化趋势与机组振动之间的关系，得到以下结论。

（1）对于同一个压力脉动值ΔH/H，在高水头所引起的不稳定现象要比低水头时严重，因此，对于水头变幅大的机组，已不能采用统一的压力脉动ΔH/H值来评价机组的振动稳定性。

（2）用ΔH评价原型机组振动比ΔH/H更为合理，但高水头时ΔH对机组振动的影响仍比低水头要大。

（3）单纯的ΔH/H或ΔH都不能表征原型机组振动稳定性水平，在现有技术水平下，对于水头变幅大的混流式水轮机，宜根据水头和负荷，将运行区划分成若干小区域，对每一区域分别制定ΔH/H最大允许值作为压力脉动的评价标准。