高海拔地区导叶开角对混流式水轮机效能影响初探

Study on the Influence of guide vane opening Angle on the efficiency of Francis turbine at high altitude

摘要

为了探究高海拔地区混流式水轮机在不同工况下的对厂房建筑的影响情况，对海拔2 968 m的某混流式水轮机试验模型选取多个工况点进行试验，通过原型观测分析不同工况下水轮机的实际运行中对厂房建筑所造成的影响。试验结果表明：当水轮机的导叶开角处于6°~12°时，由于整体压力及转轮流速变化不均，从而使尾水管产生了严重的偏心涡带，整个厂房建筑可以感到明显的振感，尤其是在试验台上的振感更为明显，并且可以清晰地听到明显的噪声。当导叶开角为12°~32°时，在此区间内，整体压力及流速变化较为均匀，水轮机组的运转过程也比较平稳，没有明显的振感和噪声。当导叶开角达到32°以上时，压力的整体变化比较平稳，只是在出口处突然发生紊乱，此时机组运转声音发生明显的改变，整个厂房的振感较前阶段有明显增强。

Abstract

In order to explore the impact of mixed-flow turbines on plant buildings under different working conditions in high-altitude areas, multiple working conditions of mixed-flow turbines at an altitude of 2968m were selected for testing, and the impact of the actual operation of the turbines under different working conditions on the factory building was analyzed, and the causes of various types of effects were explored through FLUENT simulation. The results show that when the open angle of the guide vane of the turbine is at 6°~12°, due to the uneven change of the overall pressure and rotational flow rate, the tail pipe produces a serious eccentric vortex belt, and the entire plant building can feel the obvious vibration, especially on the test bench, the vibration is more obvious, and the obvious noise can be clearly heard. When the opening angle of the guide vane is 12°~32°, in this range, the overall pressure and flow rate change is more uniform, and the operation process of the water turbine unit is relatively stable, without obvious vibration and noise. When the opening angle of the guide leaf reaches more than32°, the overall change of pressure is relatively stable, but the disorder suddenly occurs at the outlet, and the sound of the unit operation changes significantly at this time, and the vibration of the whole plant is significantly enhanced compared with the previous stage.

Graphical abstract

关键词

混流式水轮机 / 导叶开角 / 2 968 m / 效率

Key words

mixed-flow turbine / guide vane opening / 2 968 m / efficiency

引言

随着环保政策的日益推行，水能作为一种绿色能源，且水力发电技术已经相当成熟，在这种大背景下，我国的水电事业取得了巨大的发展。水电站也逐渐向高水头，大容量的方向发展。厂房的结构也随之增大，进而产生了一系列安全问题，厂房振动问题尤为突出。导致这一问题的因素非常复杂，大量的研究表明：水电站厂房的振动问题是由多种因素作用所导致的，很难做到准确的人为预测或者完全改善解决^[1-2]。尤其是水电未来的发展趋势向着大型化进发，所导致的厂房振动问题将会更加突出。内地一些研究针对水轮机组的振动进行重点研究，发现水轮机的转轮区容易产生一种特殊的振动区间，在一定的运行参数下，振动强度会达到一个很高的峰值，并且此时的振动频率接近于厂房的自振频率，这一现象无论对于厂房建筑还是工作人员来说都是非常危险的^[3]。这种作用于机组某段时间内压力不均匀的现象称为压力脉动。当机组运行平稳时，水轮机流道内的压力是均匀的，当压力分布不均时，水轮机的压力脉动就会通过蜗壳和尾水管作用于厂房的建筑结构，从而导致厂房振动。这不仅仅会使机组的运行效率大打折扣，更是一大安全隐患。相关研究人员对此做了大量的研究，有从水轮机顶盖进行探讨的^[4]，有从转轮叶片出发考虑的^[5]，还有通过改变各部件连接处的螺栓强度进行研究的^[6]，还有通过改变厂房结构来进行抗震^[7]，国内外专家在这些方面的研究均取得了不错的进展。但是关于高海拔地区水轮机的相关研究不多。钱塘等^[8-11]对于西藏现运行电站的合理性进行了验证，对今后高原地区水电机组的选型设计提出了建议。管德灵，刘峻岭等^[12-13]结合西藏特有的环境因素，论证了高原地区水轮机吸出高度计算公式在高原地区不具备适配性。蔡显赫^[14]讨论了在高原地区，自然环境对水轮机设计、机组结构形式优化的影响。这些研究鲜有将机组运行与厂房建筑的振动进行综合考虑的。并且我们在调研中发现，西藏现在运行的大部分电站存在厂房振动的情况，且相关工作人员并没有统计振动时机组运行的数据，这就导致高原环境下水轮机的运行振动区间等问题不清楚，高原水轮机的稳定运行以及厂房建筑的安全性无法得到充分保证。

西藏水能资源极其丰富且开发潜力巨大，发展西藏水电是促进西藏经济发展，推动西藏生态文明建设的重要举措^[15]。目前内陆地区的水能资源开发已经渐趋饱和，再加上国家的“十四五”规划已经明确了这一方向，未来的水电事业将朝着西藏进军。但是西藏地理环境独特，且异于内地的环境，西藏拥有自己独特的高海拔、低气压、低气温的特点。因此，研究高原地区水轮机的实际运行状况，以及实际运行中厂房建筑的安全性是否存在影响，是否会因为这些影响带来一系列的经济及其他问题。这对于今后整个高原地区的水电发展是非常重要的。针对高海拔地区的水轮机运行情况进行模型试验，不仅可以得到高原地区水轮机模型的基本运行数据，也可以为以后高原地区水轮机的选型、设计、运行等提供参考与借鉴。

1 试验台及试验方案

1.1 水轮机试验台简介

试验平台所用的水轮机模型为混流式，位于东经94°20′32″，北纬29°39′59″，海拔2 968 m。试验平台采用钢混框架，由三层构成，地下一层主要放置主水泵和管路，减少噪音，地上一层主要放置模型机及操控系统，地表主要为支撑材料及控制柜。截至目前为止，该平台是已建成世界上海拔最高的，可以完成能量、气蚀、飞逸、压力脉动等实验。部分模型参数见表1。

1.2 实验方案

研究重点是同一水头不同导叶开角下对水轮机的运行效率以及机组实际运行中对厂房建筑的影响情况，主要对蜗壳进口、蜗壳尾部以及尾水管处的压力脉动情况进行分析。压力脉动测点如图1所示。实验中，水头高度固定在14 m左右，雷诺数Re≥2.5×10⁶。在取得不同工况点的运行效率之后，选取几个特别的工况点着重进行压力脉动分析。单位转速控制在48~82 r/min之间，扭矩T_m≤500 N·m，保证机组在足够的安全余量下运行。

2 实验数据处理及分析

2.1 相关参数的获取

试验中水头的获取通过差压传感器进行测量、流量的获取采用电磁流量计、扭矩采用负荷传感器、转速则利用色标传感器通过接收转速齿盘所发出的脉冲进行测量、水温等都装有专用的传感器，且试验开始前均对这些仪器进行了标定，传感器将采集到的数据统一传输到电脑上进行显示。

2.2 数据处理

利用水温传感器、差压传感器和电磁流量计分别测出试验水温、高低压测的差压和流量，然后计算出试验用水的水密度、单位水能和流量，最后计算出水轮机的输入功率P_n：

P_n=Q·ρ·E

式中：Q—流量（m³/s）；

ρ—水密度（kg/m³）；

E—单位水能（J/kg）。

利用力矩传感器和转速传感器分别测出模型机组主轴的输出扭矩和直流测功电机转速，然后计算出模型机组的输出功率P:

P=T·(2π·n/60)

式中：T—力矩（N·m）；

n—测功电机转速（r/min）；

根据以上参数可以计算出模型水轮机的效率：

η=P/P_n×100%

压力脉动主要通过蜗壳和尾水管上的传感器进行测量，并且对各测点试验数据进行 FFT 分析，给出频谱分析图；∆Η为实测压力脉动按97%置信概率计算的混频双峰值，H为相应的试验水头。

2.3 试验结果

本次试验设定导叶全开时α=0°，导叶全开时α=60°，分别就对导叶开角在6°~36°之间，单位转速在48~82 r/min这一范围内的模型水轮机的效率进行了测定，得到的主要工况特性如图2所示：

从图2可以看出，随着导叶开角的增大，单位流量在逐渐增大；当导叶开角在6°~28°之间时，接近最优效率处的单位转速也在逐渐增大，在28°~36°之间又呈缓慢下降趋势；当导叶开角在18°~24°之间时，模型水轮机的效率处在一个比较高的范围内，这一范围内工况良好；当导叶开角为6°时，可以明显地看到它的各参数与其他开角相比，相差比较明显，此开角下无论是机组运行稳定性还是实际运行效率均较差。

针对上面所得到的水轮机组导叶开角在6°~36°下的实际运行工况，在得到具体的导叶开角对效率的影响后，见图2。分别对工况比较特殊的三个区间进行压力脉动分析，得到的结果如图3~5所示。

从图2可以看出，水轮机组的整体效率随着导叶开角的增大呈先上升后下降的趋势，从图2右上角的局部放大图中，可以更为直观地看出整个水轮机模型的效率试验的情况，可以看出当导叶开角在18°~24°之间时，整个效率曲线比较密集集中，整体跨度小，且从图4的压力脉动频谱分析图中可以看出，无论是在蜗壳处还是尾水管处，整体的振幅波动不大，且最大的三个幅值处的三个频率无较大的跳动，整体比较平稳，厂房无明显的异响及振动。并且在这一区间，整个机组运行平稳，转轮无涡带及气泡产生，工况良好。从图2和图3可以明显地看出，当导叶开角为6°时，效率基本上均在70%以下，在这一开角下，无论是蜗壳还是尾水管处的压力脉动的幅值均远远高于图4时候水轮机组运行的工况，可以明显地观察到转轮内部产生了非常严重的偏心柱状涡带，伴随大量气泡，此时整个厂房可以感到明显地振动，在工作台子上更甚，此时整个厂房充斥着噪声，工况极为糟糕，机组运行稳定性极差。在导叶开角6°~18°之间时，在这一范围内转轮内部依然可以观察到明显的柱状涡带，气泡减少，只不过这一阶段由偏心涡带转为轴心涡带，且随着导叶开角的逐渐增大，涡带逐渐变细，整个厂房的振动感也随之减弱。当导叶开角达到36°时，从图2和图5可以明显的看出，此时的模型水轮机的效率与之前比有了较大的降幅，且此时无论是各个测点幅值的变化还是最大复制点所对应的频率的变动都是非常大的，整个水轮机组流道内产生了巨大的异响，涡带再次出现，可以看到产生了比较明显的气泡，整个流道内可以清晰地听出因巨大的流量对管壁包括转轮所带来的冲击声，整个厂房建筑振动陡然加剧，工况明显变差。在这种工况下运行机组，安全性远远得不到保证。

3 结论

(1)当水轮机在导叶开角6°~12°工况运行时，由于叶片进口冲角大，水流进口产生回流和二次流，从而产生叶道涡，导致压力分布不均，从而使整个流道内产生不规则的震动及水力冲击，从而导致整个机组乃至整个厂房均处于剧烈的震动及巨大的噪音环境中。

(2)当水轮机在导叶开角32°以上工况运行时，流体流向由径向突变为轴向，且流量巨大，流道内部的水流的不均匀程度加剧，水流紊乱，导致振动的幅值进一步加大，从而造成急剧的机组振动和巨大的水力损失。整个厂房建筑也可能会因为这种现象而导致安全性问题。

(3)此模型水轮机运行的最佳导叶开角在18°~24°之间，在这一区间运行，整个流道内压力分布较为均匀，没有明显的水流冲击现象，效率可达到91.99%，效率最高，机组运行稳定，整个厂房建筑无异响及剧烈振动，安全系数高。

(4)所以当水电机组正式运行前先进行模型试验，可以直接选择导叶开角18°~24°区间进行试验，进一步得出最适合该地区的导叶开角区间，节约试验时间和后期成本。尤其此次模型试验是在高原地区进行的，可以为后续高原地区水电机组厂房的建设以及机组的运行提供参考。

参考文献

[1] 马震岳,董毓新.水轮发电机组动力学[M],大连:大连理工大学出版社,2003.

[2] Ohashi H.Hydraulic Machinery Book Series. Vibration and Oscillation of Hydraulic Machinery[M]. England: Avebury Technical, 1991.

[3] 陈婧,马震岳,刘志明 等.水轮机压力脉动诱发厂房振动分析[J].水力发电,2004(05):24-27.

[4] 钟苏.影响混流式水轮机顶盖刚度的主要因素分析[J].大电机技术,1995(03):36-40.

[5] 王粉玲.大型抽水蓄能电站地下厂房结构振动特性分析[D].大连理工大学,2013.

[6] 邵万鹏,周一鸣,王玉昌.大型水电机组组合部件刚强度分析研究[J].机械强度,1993,(04):33-36.

[7] 王桂平,肖明.周宁水电站地下厂房结构振动与结构形式研究[J].长江科学院院报,2004,21,(1):36-39.

[8] 钱瑭,曹春建,胡雄峰.西藏地区某水电站水轮机主要参数选择及模型验收试验[J].中国农村水利水电,2018(12):193-197.

[9] 李修树.西藏地区水轮机选型设计的几个主要问题探讨[J].水力发电,2011,37(04):82-84.

[10] 林玲,周泽民.西藏纳金水电站机组水轮机技术改造[J].红水河,2013,32(04):58-60.

[11] 何峰,胡定辉,何志锋 等.西藏扎拉水电站冲击式水轮机选型设计探讨[J].水利水电快报,2019,40(12):34-36.

[12] 管德灵.西藏高原水轮机空蚀问题的探讨[J].水利水电科技进展,1996(03):58-61.

[13] 刘峻岭,西藏地区水轮机允许吸出高度的计算问题[J].水利水电技术,1983(05):24-27.

[14] 蔡显赫,高原自然环境对水轮机运行的影响[J].河南科技,2017(23):64-65.

[15] 卫魏,罗红英,佘权威 等.西藏水电能源开发问题分析[J].高原农业,2021,5(03):301-308. （上接第216页）

基金资助

西藏农牧学院第八届研究生教育创新计划资助项目(YJS2022-22)