水輪機(jī)工況下水泵水輪機(jī)的無葉區(qū)壓力脈動特性分析

張 梁，李金偉

（1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610056；2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

水輪機(jī)工況下水泵水輪機(jī)的無葉區(qū)壓力脈動特性分析

張 梁1，李金偉2

（1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610056；2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

水泵水輪機(jī)無葉區(qū)是機(jī)組內(nèi)部水力因素引起的壓力脈動最大的部位，也是機(jī)組和廠房振動的主要激振源之一。本文以某抽水蓄能電站機(jī)組穩(wěn)定性試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，分析了機(jī)組內(nèi)部壓力脈動混頻幅值隨負(fù)荷的變化趨勢，重點關(guān)注了無葉區(qū)壓力脈動分頻幅值隨負(fù)荷的變化規(guī)律，為研究機(jī)組和廠房振動誘因提供一種思路。

水泵水輪機(jī)；壓力脈動；無葉區(qū)

0 前言

抽水蓄能技術(shù)是電力系統(tǒng)中作為調(diào)節(jié)手段的一種先進(jìn)技術(shù)，是一種行之有效的蓄能裝置，在我國被大力發(fā)展[1]。近年來，數(shù)個已投產(chǎn)運行的抽水蓄能電站機(jī)組和廠房出現(xiàn)了比較強(qiáng)烈的振動。經(jīng)過現(xiàn)場試驗分析發(fā)現(xiàn)，無葉區(qū)（活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間）基本是機(jī)組內(nèi)部壓力脈動最大的部位，這是活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間動靜干涉的結(jié)果，是水泵水輪機(jī)的典型特征；試驗結(jié)果研究表明，無葉區(qū)壓力脈動是機(jī)組和廠房振動的主要激振源之一，尤其要重視無葉區(qū)壓力脈動的頻率組成及其對應(yīng)的分頻值[2]。當(dāng)某個頻率值與廠房局部構(gòu)件的固有頻率接近時，有可能誘發(fā)局部構(gòu)件的共振，進(jìn)而向整個廠房段進(jìn)行傳遞，嚴(yán)重影響到機(jī)組和廠房的安全和穩(wěn)定運行[3]。

下面以某抽水蓄能電站機(jī)組穩(wěn)定性試驗結(jié)果為例進(jìn)行闡述。該抽水蓄能電站是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，共安裝4臺立軸單極混流可逆式水泵水輪機(jī)組，機(jī)組單機(jī)容量250MW，總裝機(jī)容量為1000MW。水泵水輪機(jī)的主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)輪名義直徑4.641m，固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉均為20個，轉(zhuǎn)輪葉片9個，額定轉(zhuǎn)速333.3r/min，額定水頭305m，最大毛水頭346m，最小毛水頭291m。

本次穩(wěn)定性試驗布置了壓力脈動測點4個，具體布置如圖1所示。蝸殼進(jìn)口1個，位置在HP1；無葉區(qū)2個，其中無葉區(qū)+X的測點布置在HC6、無葉區(qū)+Y的測點布置在HC3；頂蓋下1個，位置布置在HC4。

壓力脈動測量采用中國航天空氣動力技術(shù)研究院生產(chǎn)的AK-4型壓力變送器，主要指標(biāo)見表1。

表1 AK-4型壓力變送器主要性能指標(biāo)

圖1 壓力脈動測點布置示意圖

1 機(jī)組穩(wěn)定性試驗結(jié)果分析

機(jī)組主要開展了變負(fù)荷試驗，機(jī)組負(fù)荷取：130MW、150MW、175MW、200MW、225MW、250MW。各負(fù)荷工況對應(yīng)的上庫水位、下庫水位以及靜水頭如下：

表2 試驗工況表

試驗采樣頻率為2kHz，每個負(fù)荷工況下機(jī)組穩(wěn)定后數(shù)據(jù)采集2min。

表3顯示了四個測點的壓力脈動相對幅值（Δp/ ρgH，Δp為壓力脈動混頻幅值，取97%置信度；H為平均靜水頭）。圖2顯示了四個測點的壓力脈動相對幅值隨負(fù)荷的變化曲線。可以看出：隨著負(fù)荷的增大，4個測點的壓力脈動先減小后增大，負(fù)荷為200.7MW時達(dá)到最小，表明該負(fù)荷工況下機(jī)組內(nèi)部的流態(tài)相對最好。負(fù)荷進(jìn)一步增大，壓力脈動有一定程度的上揚，頂蓋下測點增大幅度相對明顯。

表3 壓力脈動相對幅值 %

圖2 壓力脈動隨負(fù)荷的變化曲線

圖3～圖5分別顯示了130.5MW、176.1MW、225.5MW負(fù)荷工況下4個測點的壓力脈動頻譜，可以看出：4個測點的壓力脈動優(yōu)勢頻率均為葉片過流頻率50Hz（葉片數(shù)乘以轉(zhuǎn)頻即9倍轉(zhuǎn)頻）及其2倍諧頻100Hz，表明了活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的動靜干涉作用向上游進(jìn)行了傳播。這種動靜干涉是轉(zhuǎn)輪葉片引起的旋轉(zhuǎn)流場擾動與活動導(dǎo)葉尾流引起的流場擾動之間調(diào)制的結(jié)果，它造成的異常壓力脈動在整個過流部件中傳播，可能引起水力激振力與轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)或廠房局部構(gòu)件的共振，從而產(chǎn)生破壞[4]。

圖3 壓力脈動頻譜圖（130.5MW）

圖4 壓力脈動頻譜圖（176.1MW）

圖5 壓力脈動頻譜圖（225.5MW）

以往針對水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動的分析主要集中在混頻幅值和頻率成份方面，事實上根據(jù)數(shù)個抽水蓄能電站機(jī)組穩(wěn)定性試驗和模擬計算后發(fā)現(xiàn)，廠房結(jié)構(gòu)對于不同頻率的壓力脈動的振動響應(yīng)比較敏感[5]，因此進(jìn)一步研究各分頻幅值隨負(fù)荷的變化趨勢更有意義。下面以無葉區(qū)+X、+Y兩個壓力脈動測點為研究對象進(jìn)行分析。

由圖6～圖7可以看出：對于無葉區(qū)的2個壓力脈動測點，葉片過流頻率50Hz對應(yīng)幅值隨著負(fù)荷的增大而減小，2倍葉片過流頻率100Hz對應(yīng)幅值隨著負(fù)荷的增大先減小后增大，在200.7MW負(fù)荷工況時達(dá)到最小，與混頻幅值隨負(fù)荷的變化趨勢一致。隨著負(fù)荷的增大即活動導(dǎo)葉開度不斷增大，活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的距離（以Dg-r表示）越來越近，當(dāng)Dg-r達(dá)到某一值DT時，機(jī)組內(nèi)部的流場最佳，動靜干涉的效果最弱，反之，當(dāng)Dg-r偏離DT越遠(yuǎn)，動靜干涉的效果越明顯。

圖6 +X測點分頻幅值隨負(fù)荷變化曲線

圖7 +Y測點分頻幅值隨負(fù)荷變化曲線

通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，該電站廠房振動的實際情況與100Hz分頻幅值的變化趨勢完全一致，滿負(fù)荷250MW發(fā)電時廠房振動和廠房內(nèi)噪聲最大，150MW時其次，200MW時相對最好（電站最常運行的三個負(fù)荷工況）。該電站的廠房結(jié)構(gòu)為立式結(jié)構(gòu)，經(jīng)數(shù)值模擬計算，其水輪機(jī)層立柱的其前10階固有頻率分別為：85.70、98.52、101.30、104.13、106.03、108.79、114.59、115.09、116.18、120.47（單位Hz）。局部構(gòu)件的主階數(shù)固有頻率中有一階的頻率與無葉區(qū)壓力脈動優(yōu)勢頻率之一的100Hz非常接近，可能出現(xiàn)了局部共振的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到機(jī)組和廠房的安全及穩(wěn)定運行。

2 結(jié)論

隨著抽水蓄能技術(shù)的不斷發(fā)展，高水頭大容量化的發(fā)展趨勢使水力激振頻率隨轉(zhuǎn)速的升高而上升，而水頭的提高將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)輪形狀設(shè)計趨于扁平化，與此相對應(yīng)的固有頻率也隨之降低，同時，對于固定部件而言，隨著設(shè)計剛度的增加，結(jié)構(gòu)自身的固有頻率同樣會得到大幅提升，兩種因素的疊加增加了過流部件發(fā)生共振的機(jī)率。因此在研究抽水蓄能機(jī)組內(nèi)部的壓力脈動時，不僅要分析壓力脈動混頻幅值的變化趨勢，更要關(guān)注壓力脈動各優(yōu)勢頻率對應(yīng)幅值的變化情況，因為很有可能某個優(yōu)勢頻率成份就是造成機(jī)組和廠房振動的關(guān)鍵因素。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2000

[2]高峰.高水頭混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力特征分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[3]高忠信,唐澍,梁賀志.水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉后的卡門渦頻率研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展,2005(6):29-35.

[4]賈偉,劉晶石,龐立軍,等.抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的動靜干涉與振動分析[J].振動工程學(xué)報,2014,27(4):555-571.

[5]張軍,伍鶴皋,劉建洪,等.洪屏抽蓄電站地下廠房對不同頻域壓力脈動的振動響應(yīng)[J].中國農(nóng)村水利水電,2016(6):155-163.

張梁（1976-），2007年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能系，獲得博士學(xué)位，主要研究方向：流體機(jī)械設(shè)計研究、水電站運行管理等，高級工程師。

審稿人：魏顯著

Characteristic Analysis of Pressure Fluctuation in the Non-blade Area of a Pump-Turbine under Turbine Condition

ZHANG Liang1,LI Jinwei2
(1.Yalong River Hydropower Development Company Ltd.,Chengdu 610056,China; 2.Beijing IWHR Corporation,Beijing 100048,China)

Pressure fluctuation in the non-blade Area of a Pump-Turbine is the maxim pressure fluctuation caused by inner hydraulic facts,and is one of the sources exciting to vibration of unit and powerhouse.In this paper,based on the stability test results of a pumped-storage power station,the change trend of pressure fluctuation mixing amplitude according to unit output is discussed,focused on change rules of frequency division amplitude,one thought to study vibration of unit and powerhouse is presented.

pump-turbine;pressure fluctuation;non-blade area

TM312

A

1000-3983(2017)01-0060-04

2016-09-20