基于模型試驗(yàn)解決某電站滿負(fù)荷工況異常振動(dòng)問(wèn)題
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徐用良1,2,3,4，劉智良1，2，劉文杰1，2，王洪杰3
（1．水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150040;2．哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱150040；3．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001;4．哈動(dòng)國(guó)家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心有限公司，哈爾濱150001）
[摘要] 本文介紹了混流式水輪機(jī)滿負(fù)荷工況異常振動(dòng)的一種處理方法。相比傳統(tǒng)的優(yōu)化泄水錐方案，本文基于模型試驗(yàn)和模型轉(zhuǎn)輪修型以及原型機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)混流式水輪機(jī)滿負(fù)荷工況穩(wěn)定性進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)比模型及相似原型機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)幅值，模型和原型在滿負(fù)荷區(qū)域相似性較好，為本方法的使用奠定基礎(chǔ)。通過(guò)不同方案結(jié)果的比較，尾水管壓力脈動(dòng)陡升可能是導(dǎo)致原型機(jī)滿負(fù)荷工況異常振動(dòng)的一個(gè)重要原因，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片出口靠上冠區(qū)域的型線是解決該問(wèn)題的一個(gè)重要手段。
[關(guān)鍵詞]混流式水輪機(jī)；尾水管；滿負(fù)荷；異常振動(dòng)；陡升；修型
[中圖分類號(hào)] TK730.7 [文章編號(hào)]1000-3983(2016)03-0033-03
0引言
根據(jù)電網(wǎng)要求或水流條件的限制，混流式水輪機(jī)不可避免地要在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。相比部分負(fù)荷工況非對(duì)稱旋進(jìn)渦帶，滿負(fù)荷工況尾水管渦帶為近似軸對(duì)稱的反向旋轉(zhuǎn)渦帶。一般認(rèn)為，這種渦帶特征對(duì)尾水管的壓力脈動(dòng)幅值有一定抑制作用，但是滿負(fù)荷壓力脈動(dòng)引起的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。國(guó)外西班牙Saucelle-Huebra水電站、巴基斯坦塔貝拉水電站以及國(guó)內(nèi)的巖灘水電站、小浪底水電站等均在滿負(fù)荷工況出現(xiàn)過(guò)異常振動(dòng)，有的電站甚至無(wú)法在該區(qū)域長(zhǎng)期運(yùn)行。相比于部分工況的旋進(jìn)渦帶，滿負(fù)荷工況渦帶較粗，運(yùn)行流量很大，很容易引起整個(gè)尾水管水體甚至整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)，危害極大。
本文涉及電站機(jī)組為國(guó)內(nèi)某單機(jī)容量為609MW的混流式水輪機(jī)，該電站的主要問(wèn)題在額定水頭以下滿負(fù)荷工況附近，水輪機(jī)頂蓋和尾水管振動(dòng)和噪聲異常，振動(dòng)值超過(guò)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，尾水管壓力脈動(dòng)陡升，致使該電站無(wú)法在區(qū)域運(yùn)行。
對(duì)于混流式水輪機(jī)滿負(fù)荷振動(dòng)問(wèn)題的研究，Dorfler在模型水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)階段，采用非定常兩相流CFD進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。目前根據(jù)CFD分析和模型試驗(yàn)測(cè)量，滿負(fù)荷工況壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)較低，很難據(jù)此預(yù)估原型機(jī)的穩(wěn)定性。S．Alligne認(rèn)為混流式水輪機(jī)滿負(fù)荷振動(dòng)是一種由水力振動(dòng)引起的自激振動(dòng)，該振動(dòng)與渦帶特征、電機(jī)特性和電站系統(tǒng)響應(yīng)相關(guān)。該文從系統(tǒng)的角度分析了混流式滿負(fù)荷振動(dòng)，但是沒(méi)有給出具體的解決措施。
對(duì)于原型機(jī)滿負(fù)荷振動(dòng)問(wèn)題的處理，國(guó)內(nèi)外主要機(jī)電設(shè)備制造廠家出于技術(shù)保密考慮，具有參考價(jià)值的相關(guān)文獻(xiàn)比較少見(jiàn)。Thierry Jacob通過(guò)不同泄水錐方案，成功解決了Saucelle-Huebra水電站滿負(fù)荷振動(dòng)問(wèn)題。由于各水電站系統(tǒng)結(jié)果和運(yùn)行條件差異較大，主要機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造廠家設(shè)計(jì)理念也不盡相同，很難通過(guò)一種方法解決所有問(wèn)題。
電站出現(xiàn)問(wèn)題后，本文曾嘗試在原型機(jī)上通過(guò)更換加長(zhǎng)泄水錐來(lái)改變尾水管的渦帶特性，從而改進(jìn)滿負(fù)荷的穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明該方法沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。之后通過(guò)模型試驗(yàn)，再現(xiàn)了原型機(jī)問(wèn)題，對(duì)模型轉(zhuǎn)輪出水邊不同位置進(jìn)行切割修型優(yōu)化，并在原型機(jī)上采取相同的辦法，其中第二次修型顯著地改善了滿負(fù)荷工況的運(yùn)行穩(wěn)定性。最后在該電站所有機(jī)組采用了該辦法，解決了該電站滿負(fù)荷區(qū)域異常振動(dòng)問(wèn)題。
1 電站概況及問(wèn)題介紹
本文涉及電站為國(guó)內(nèi)某大型水電站混流式水輪機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1：
該電站機(jī)組在額定水頭Hr=175.5m以下、最大預(yù)想出力工況附近運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)尾水管和頂蓋振動(dòng)振動(dòng)異常，尾水管壓力脈動(dòng)幅值陡升，機(jī)坑和水輪機(jī)層噪聲顯著增大，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行。
2研究方法
在問(wèn)題出現(xiàn)后，本文對(duì)原型機(jī)水力流道關(guān)鍵位置的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，初步判斷該振動(dòng)由水力振動(dòng)引起。通過(guò)與電廠溝通，嘗試通過(guò)更換加長(zhǎng)泄水錐來(lái)改善該區(qū)域的運(yùn)行穩(wěn)定性。該方法為行業(yè)普遍采用的方法，試圖通過(guò)改變渦帶產(chǎn)生位置和渦帶特性來(lái)達(dá)到改善穩(wěn)定性的目的。通過(guò)原型機(jī)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)感受，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
之后通過(guò)該電站模型水輪機(jī)模型試驗(yàn)，再現(xiàn)了原型機(jī)問(wèn)題，通過(guò)模型轉(zhuǎn)輪葉片兩次修型來(lái)改變轉(zhuǎn)輪出口局部出流角、出口環(huán)量和改善局部空化性能對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并分別進(jìn)行全負(fù)荷內(nèi)的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)，其中第二次修型顯著地降低了尾水管壓力脈動(dòng)在滿負(fù)荷工況區(qū)域陡增趨勢(shì)，從而較大程度的改善了滿負(fù)荷區(qū)域穩(wěn)定性，并在原型機(jī)采用了該方法，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
3 問(wèn)題的分析處理過(guò)程
3.1 原型機(jī)加長(zhǎng)泄水錐方案
本文首先在原型機(jī)上直接更換加長(zhǎng)6B泄水錐，在原型電站原型范圍內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性試驗(yàn)，并與該項(xiàng)目原始模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。下圖1為更換泄水錐前后原型機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)幅值以及模型試驗(yàn)結(jié)果的比較。
圖1中，橫縱坐標(biāo)均采用無(wú)量綱數(shù)進(jìn)行表示，橫
該方法的優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)行歸一化，通過(guò)該方法表示的尾水管壓力脈動(dòng)幅值與原型機(jī)運(yùn)行水頭或者模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。圖中細(xì)實(shí)線為該電站模型水輪機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，粗實(shí)線為電站更換泄水錐前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，虛線為更換加長(zhǎng)6B泄水錐后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。該電站滿負(fù)荷對(duì)應(yīng)的流量Q11／Q11,0約為1.2。由圖可知，在模型和原型采用相同泄水錐時(shí)，模型和原型尾水管壓力脈動(dòng)在運(yùn)行范圍內(nèi)表現(xiàn)很好的相似性；更換加長(zhǎng)泄水錐后，對(duì)部分負(fù)荷(Q11／Q11，0<0.8)的尾水管壓力脈動(dòng)有改善作用，但是對(duì)于滿負(fù)荷工況沒(méi)有明顯效果，甚至有加劇該區(qū)域運(yùn)行不穩(wěn)定性的趨勢(shì)。
3.2 第一次葉片修型方案及結(jié)果分析
鑒于更換泄水錐對(duì)于改善原型機(jī)滿負(fù)荷穩(wěn)定性沒(méi)有影響，直接在原型機(jī)上進(jìn)行葉片修型風(fēng)險(xiǎn)較大，決定先在模型水輪機(jī)上進(jìn)行改型試驗(yàn)，再在原型機(jī)上進(jìn)行復(fù)核。如果模型和原型機(jī)復(fù)核性較好，繼續(xù)在模型上進(jìn)行修型優(yōu)化，直到達(dá)到電站預(yù)期效果，最后在電站全面實(shí)施最終修型方案。第一次嘗試對(duì)葉片出口邊靠下環(huán)局部區(qū)域進(jìn)行修型優(yōu)化，其目的是改善該局部
出流角、水流出口環(huán)量、轉(zhuǎn)輪局部空化以及卡門(mén)渦的頻率。修型后，首先在哈爾濱大電機(jī)研究所水力試驗(yàn)2臺(tái)上進(jìn)行了覆蓋原型機(jī)運(yùn)行范圍的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)，之后在原型機(jī)一臺(tái)機(jī)相應(yīng)位置進(jìn)行修型并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2中，粗實(shí)線表示第一次修型后模型試驗(yàn)結(jié)果，細(xì)實(shí)線表示原始結(jié)果，虛線表示相應(yīng)的原型機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，第一次修型與原始結(jié)果相比，修型后模型和原型表現(xiàn)相同的規(guī)律，在滿負(fù)荷區(qū)尾水管壓力脈動(dòng)有下降趨勢(shì)。但是從測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)感受來(lái)講，本次修型并沒(méi)有從本質(zhì)上解決原型機(jī)在滿負(fù)荷區(qū)域附近異常振動(dòng)和壓力脈動(dòng)陡升問(wèn)題。
3.3 第二次葉片修型方案及結(jié)果分析
根據(jù)第一次修型經(jīng)驗(yàn)，在模型試驗(yàn)臺(tái)上繼續(xù)對(duì)轉(zhuǎn)輪出口邊進(jìn)行修型，本次修型區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)輪出口邊靠上冠位置，修型目的與第一次相同。分析認(rèn)為，上冠位置對(duì)滿負(fù)荷流量控制及環(huán)量控制起重要作用。修型后，在水力模型試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，之后在原型機(jī)上采取相同的措施并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定試驗(yàn)，下圖3為轉(zhuǎn)輪第二次修型方案的試驗(yàn)結(jié)果。
由圖3可知，第二次修型后的模型水輪機(jī)和原型機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)表現(xiàn)出很好的相似性。與原始轉(zhuǎn)輪相比，第二次修型顯著改善了尾水管壓力脈動(dòng)在滿負(fù)荷區(qū)區(qū)域的陡增趨勢(shì)。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和感受來(lái)看，頂蓋和尾水管振動(dòng)、噪聲和壓力脈動(dòng)明顯降低，較大程度地改善了滿負(fù)荷區(qū)域的運(yùn)行穩(wěn)定性，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
4結(jié)論
(1)本文通過(guò)模型試驗(yàn)及模型修型方法解決了國(guó)內(nèi)某巨型電站滿負(fù)荷工況異常振動(dòng)的問(wèn)題。為今后處理相似問(wèn)題提供了一種不同的方法。
(2)壓力脈動(dòng)陡升可能是引起機(jī)組異常振動(dòng)的一個(gè)誘因，在今后國(guó)內(nèi)巨型機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于滿負(fù)荷工況，除了關(guān)心該區(qū)域的壓力脈動(dòng)幅值外，還應(yīng)關(guān)注該區(qū)域壓力脈動(dòng)陡增趨勢(shì)。
(3)本文雖然給出了滿負(fù)荷異常振動(dòng)的一種處理方法，但是對(duì)于具體電站究竟怎么修型，需要更加深入的研究，因此有一定的局限性。
