基于模型试验的灯泡式水轮机压力脉动研究

姚 丹，卢 池，李广府，郭 娜

（东芝水电设备 （杭州） 有限公司，浙江 杭州 310020）

1 研究方法

目前，对水轮机压力脉动的研究方法主要有4种：理论计算、数值模拟、模型试验及真机测试。本文以某比转速的灯泡式水轮机为研究对象，通过模型试验的方法，逐个分析转轮与转轮室间隙、空化系数、协联关系的改变对压力脉动的影响。

2 压力脉动测量位置的选择

在选择压力脉动测点时，尽可能地选择有可能会产生最大压力脉动及能够反映出脉动特性的测量位置。对于不同的水轮机，最大压力脉动的位置会随着转轮比转速的不同而改变。为了较为全面地分析灯泡式水轮机压力脉动的特点，我们选择在桨叶与活动导叶之间左右对称布置2个压力脉动测点，同时在尾水管处布置一个压力脉动测点。

3 压力脉动试验结果分析

3.1 转轮与转轮室间隙对压力脉动的影响

水电站在投入运行后，随着运行时间的增多，转轮室处的基础部件会发生磨损，转轮与转轮室间的实际间隙有可能会偏离设计间隙。

为了研究转轮与转轮室间隙对水轮机压力脉动的影响，我们分别在设计间隙和接近二倍设计间隙的2种安装状态下，某一固定水头，在不同桨叶的接近协联导叶开度下进行压力脉动试验。由于水轮机压力脉动本身具有很大的随机性和诸多不确定因素，其数值结果会存在着些许波动，于是，测量时在每个试验工况下均记录了2次数据。其试验结果如图1所示。β表示转轮叶片角度。

由此试验结果，可以看出：

由于转轮与转轮室间隙的改变，压力脉动幅值虽有些变化，但其波动很小，而且水轮机压力脉动本身也具有动态特征，在不同时刻测量的压力脉动数值，也会存在些许差异。所以，从整体趋势来看，转轮与转轮室间隙的变化对压力脉动幅值的影响很小，不会影响对水轮机压力脉动性能的整体评价。

同时，对压力脉动的主频进行统计后，发现桨叶和导叶之间处的脉动主频为f=n/60×N，其中n为水轮机转速（r/min），N为转轮叶片个数，转轮与转轮室间隙的变化对桨叶和导叶之间处的脉动主频没有影响。

3.2 空化系数对压力脉动的影响

水电站在实际运行过程中，由于受自然气候条件影响，水头和下游水位有可能会发生变化，电站空化系数也会随之改变。尤其对于水头变化幅度较大的机组，研究空化系数对压力脉动的影响，对转轮设计时空化安全系数的选择、原型机组的安全稳定运行具有重要的指导意义。

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在某一固定水头下，选取3个典型叶片角度及相应的协联导叶开度，将尾水压力由+3 m左右开始逐渐降低，分别在不同空化系数下，进行压力脉动测试。其试验结果如图2～图5所示。其中，图中α表示导叶开度，β表示转轮叶片角度，nED表示转速因数。以下各图中符号的含义，均如上所述。图中横坐标为空化系数，主纵坐标为压力脉动幅值，可反映出空化系数与脉动振幅之间的关系；次纵坐标为效率，可反映出空化系数与效率之间的关系，依此可确定出临界空化系数σ0。

根据以上试验结果，可以看出：

（1）随着空化系数的降低，桨叶和导叶之间处的压力脉动幅值逐渐增大，且当运行至某一空化系数时，出现峰值，其脉动幅值增大了2～3倍，当空化系数小于该值时，压力脉动将迅速减小。同时，还可看出，此时的空化系数均大于效率开始下降时所对应的临界空化系数σ0。

（2）随着空化系数的降低，尾水管处的压力脉动曲线变化较为平缓，其幅值没有出现大幅度的波动。

（3）桨叶和导叶之间处的压力脉动远超过了尾水管处的压力脉动，前者的脉动幅值几乎是后者的2～5倍。

空化系数对桨叶和导叶之间处的压力脉动幅值影响很大，而对尾水管处的压力脉动幅值影响很小。为了进行再次验证，我们改变水轮机运行水头，在nED=0.95时再次进行了测试。其结果是三处测点的压力脉动变化趋势均表现出了与nED=0.8相同的特性。

图2 空化系数对压力脉动幅值的影响（桨叶和导叶之间测点1）

图3 空化系数对压力脉动幅值的影响（桨叶和导叶之间测点2）

图4 空化系数对压力脉动幅值的影响（尾水管处测点）

图5 空化系数对压力脉动幅值的影响（尾水管处测点）

由此可以看出，对于水轮机的不同位置，空化系数对脉动的影响程度也存在着差异。灯泡式水轮机具有双调节机构，在协联工况下运行，没有出现类似于混流式水轮机机组明显的尾水管涡带，可见空化对灯泡式水轮机尾水管处的压力脉动影响较小。

同时，对不同空化系数下的压力脉动主频进行统计后，发现桨叶和导叶之间处的脉动主频没有发生变化。

3.3 协联关系对压力脉动的影响

在电站实际运行中，对于灯泡式机组，通常都要求在协联工况下运行。但由于某些特殊原因或条件限制，有时也需要偏离协联工况下运行。为此，我们调查了协联关系对压力脉动的影响。

图6 协联关系对压力脉动幅值的影响

选取 3 个特征水头（nED=0.7，nED=0.8，nED=0.95），在每个特征水头下，选取3个典型叶片角度，分别在协联和非协联工况下，进行压力脉动试验。其试验结果如图6所示。

由此试验结果，可以看出：

（1）协联关系对桨叶和导叶之间处的压力脉动幅值影响较小。

（2）协联关系对尾水管处的压力脉动幅值影响很大。当水轮机组在协联工况下运行时，其脉动幅值最小。在非协联的情况下，在导叶开度小于协联导叶开度下运行时，压力脉动随着导叶开度的减小，迅速增大；而在导叶开度大于协联导叶开度下运行时，压力脉动随着导叶开度的增大，其幅值变化很小。

同时，对协联和非协联工况下的压力脉动主频进行统计后，发现桨叶和导叶之间处的脉动主频没有变化。

4 结语

（1）转轮与转轮室间隙、空化系数、协联关系对水轮机不同位置的压力脉动存在着不同程度的影响。对于不同的工况，其产生最大压力脉动的位置也各不相同。同时，对于水轮机的不同位置，由于各处的引起压力脉动的脉动源不同，所以影响其脉动大小的主要因素也不尽相同。

（2）转轮与转轮室间隙的变化，对桨叶和导叶之间、尾水管处的压力脉动影响不大。

（3）对于重要工况，应进行不同空化系数下的压力脉动试验。其结果可为转轮设计时空化安全系数的选择及真机运行提供重要的参考依据，避免发生空化自激现象。

（4）在真机运行过程中，如果需要在非协联工况下运行，在转轮叶片角度不变的情况下，适当增大导叶开度，以避免尾水管处出现大幅度的压力脉动剧增现象。