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大变幅高水头水轮机模型试验研究

2025-01-03 117 上传者：管理员

摘要：为保证大渡河双江口水电站水轮发电机组长期安全稳定运行，提出了双江口水电站水轮机水力设计需求，该水轮机运行水头较高，且水头变幅较大，据此开展了水轮机模型试验。模型试验主要包含了效率试验、出力试验、空化试验、压力脉动试验等，最终得出结论：该水轮机模型所有性能指标均达到预期的水利开发条件要求。

关键词：
模型试验
模拟运行
水轮机
空化空蚀
高水头
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根据水轮机相似理论，任何尺寸的原型水轮机的性能参数都可以通过模型水轮机的性能参数完全反映出来。模型水轮机的运行规模更小，模拟运行成本更低，同时也更容易进行试验，能够灵活地根据需要调整运转状况，在较短的时间内对机型水轮机的特点进行全方位的测试。通过对模型试验结果进行整理，将工况参数分别转化为单位转速和单位流量，再绘制成综合特性曲线。其中将效率相等工况点连线后得到的曲线不仅展现了模型水轮机的工作特性，同时也体现了同一类型的真实水轮机在不同水头下的工作特性。

1、工程概况

双江口水电站作为大渡河龙头水库，通过调整蓄水可增加下游电站枯水年枯期平均出力约1 700 MW、枯期电量约66亿kW·h。电站主要承担四川省电网峰荷腰荷部分和部分调峰调频任务，发挥电站170万kW工作容量、20万kW事故备用、10万kW负荷备用以及夏季运行在日负荷曲线基腰部的电力调峰性能，电站运行容量200万kW。

2、水电站特征参数

2.1 水轮机基本参数

大渡河双江口水电站水轮发电机组额定功率为50万kW(500 MW），水电站及水轮机基本参数如下：装机容量200万kW(200 MW），装机台数4台，额定功率50万kW(500 MW），额定水头215.00 m，额定转速166.7 r/min，安装高程（以导叶中心计）2 236.80 m。

2.2 电站运行条件

枢纽工程由土心墙堆石坝、洞式溢洪道、泄洪洞、放空洞、地下发电厂房、引水及尾水建筑物等组成。土心墙堆石坝坝高315 m，居世界同类坝型的第一位。可研阶段推荐水库正常蓄水位2 500 m，死水位2 330 m，正常蓄水位以下库容31.15亿m3，调节库容21.52亿m3，为年调节水库，通过水库调节可增加下游梯级电站枯期电量66亿kW·h，增加保证出力175.8万kW。枢纽工程包括土心墙堆石坝部分、洞式溢洪道部分、泄洪洞部分、放空部分、地下发电厂房部分、引水及尾水建筑物部分等工程。

3、水轮机水力开发要求

双江口水轮机水头高、变幅大，最小水头为155.4 m，额定水头为215 m，最大水头为251.4 m，额定转速为166.7 r/min，额定出力Pr为510 MW，当功率因数为1.0时，水轮机的最大极限出力为567 MW，定义为水轮机的限制出力，在此工况下机组能安全运行。

3.1 水轮机效率

为了在大水头变幅下得到运行范围内更高的效率，兼顾水轮机的稳定性，合理选择效率最佳点，水轮机的各种效率复核数值应在水力发电站空化系数的情况下作出，得出最优效率应该不会低于93.00%。

3.2 水轮机稳定运行范围

水头在最小水头155.40 m（含155.40 m）至额定水头215 m之间时，水轮机长期连续稳定运行的范围为最大出力的45%～100%的工况，0～45%范围内能安全稳定运行；水头在额定水头215 m（含215 m）至最大水头251.4 m（含251.4 m）之间时，水轮机长期连续稳定运行的范围为最大出力的45%～100%的工况，0～45%额定功率的工况下能安全稳定运行；当水头超过251.4 m时，水轮机输出功率在510～567 MW工况下能安全稳定运行。

3.3 水力稳定性指标

测压管孔设置在转轮出口的尾水管上以及扩散段附近，用来测量水力压力脉动值，水轮机原型水轮机和模型水轮机的数值应符合表1所保证的数值。

表1 尾水管压力脉动保证值

3.4 空化与抗磨蚀性能

水轮机在功率小于510 MW时，电站装置空化系数σp与初生空化系数σ及临界空化系数σ-1之比应满足：σp/σi>1.1，σp/σ-1>1.6；水轮机发出力为510～567 MW时，σp/σi与σp/σ-1比值可以稍微低于标准值，但应保证机组安全稳定运行。电站装置空化系数σp计算公式为

式中：▽尾为设计尾水位，指额定水头以下水轮机额定出力、额定水头的工况及以上发出510 MW出力的一台机过机流量时尾水调压室水位，取该水位高程为2 249.656 m;H为水头。

4、水轮机模型试验

4.1 模型试验条件

所有水轮机模型测试均采用清水不含杂质，测试水头为30 m，测试水温区间在12～30℃。

4.2 模型水轮机

水轮机模型的部件主要有顶盖、蜗壳、座环、活动导叶、转轮、底环和尾水管等，全部采用金属材质。特别是采用透明有机玻璃制成的尾水管，蜗壳及尾水管上设置观察孔，可直接观察转轮出口区域的流态及尾水锥管区域。模型水轮机的大小偏差不超过IEC规定的最小允许偏差，蜗壳的进口到尾水肘管的出口流道与原型水轮机是相似的。

模型水轮机的转轮出口直径为350.48 mm，模型、原型几何比例为1∶16.574 24，除座环上部固定导叶外，模型水轮机的蜗壳、顶盖、活动导叶、转轮、尾水管等与原型水轮机保持外型及全流道的几何相似，因此该水轮机模型在设计上具有一定的稳定性。模型固定导叶的分布和角度对效率的影响很小，并且由于固定导叶的作用也是让水流形成环量，并透过活动导叶流入转轮，因此在测量水轮机效率时未进行修正，这样的处理方式较为安全。

4.3 水轮机能量特性试验

4.3.1 最优效率试验

分别对21.9°、23.0°、23.35°、24.0°共4个导叶开度的10个工况点进行了试验，根据试验数据做出模型效率拟合曲线，最终得出模型最高效率为96.36%，证明了初步试验报告中提出的模型最高效率可信。

4.3.2 加权平均效率试验

本次试验水头H≥30 m，在155.4、161.6、170、185、200、215、225、235、251.4 m等特征水头和60%Pr、45%Pr工况下，调整开度测量出水轮机各个加权因子下的效率，最终计算得到模型水轮机加权平均效率为94.30%，根据ICE相关规程换算到原型水轮机加权平均效率为95.63%。

4.3.3 出力试验

水轮机出力由数字式扭矩计测量主轴扭矩求得，扭矩测量单元将主轴扭矩角度转换成电位差，数字处理回路将电位差转化成扭矩值。试验中利用此方法测量了额定水头及其他特征水头下的导叶全开和113%开度下的出力，最终表明，模型水轮机可以在各个特征水头下发满出力。

通过数位力矩计测量主轴力矩得到水轮机出力，主轴力矩角度由力矩测量单元转换为电位差，电位差则由数位处理回路转换为扭矩值。测试中使用此方法测量额定水头下导叶全开和113%开度下的出力，以及其他特征水头对应的出力，最终结果显示模型水轮机在各特征水头都能达到满发出力。

4.4 水轮机空化特性试验

该模型试验需要转轮在临界空化系数下观察空化发生的过程，对于空化气泡的产生、发展、溃灭进行拍照或者录像，试验水头H不小于30 m。

1）空化系数会随着真空度上升而上升，最终会导致转轮叶片负压较大处出现空化气泡，此临界状态的空化系数为初生空化系数。

2）初生空化发生时，试验用内窥镜来观测转轮进口是否出现气泡，从而判断空化初生线。

由叶道涡出生线、叶道涡发展线（均为叶片出口）观察试验结果见知，空化初生线和发展线远离电站长期运行区域，不影响正常运行。

试验时选择了155.4、161.6、215.0、221.2、228.6、251.4 m水头共6个工况进行了空化试验，初生和临界空化试验结果见表2。

表2 不同水头工况初生和临界空化试验结果

4.5 压力脉动试验

4.5.1 试验程序

水力压力脉动主要是由水轮机过流部件和流场引发的，试验水头为H≥30 m。测点位置一般设置在蜗壳进口、转轮与导叶之间以及尾水锥管上下右侧，距转轮出口0.3D2的尾水管±X及±Y轴线处各一个，条件允许的情况下尽可能多设置压力测点。试验数据采用FFT分析软件进行幅频特征分析，试验结果应给出各测点的时域图、频域图及相关试验数据表格。

4.5.2 试验内容

1）本次复核试验对水轮机主要运行区内155.4、161.6、170、185、200、215、225、235、240、251.4 m共10个真机运行水头，在高部分负荷及需要特别关注的关键区以每隔0.2°～0.3°导叶转角进行试验。低水头段压力脉动做到最大保证出力，高水头段做到567 MW附近。

2）绘制特征水头下测量点压力脉动值与水轮机出力的关系曲线。

3）利用FFT测点试验数据，得出数值最大的倍频幅值以及对应的频率。

4）从尾水管上下游测点压力脉动幅值取最大值，无叶区上、下游测点压力脉动幅值取大值。

5、结束语

本文针对大渡河双江口电站水轮机水力开发要求下，结合国内外高水头、大变幅的水轮机，分析了水轮机效率、出力、空化及压力脉动试验，研究结论如下：

1）本次模型试验结果能够较为准确反映出原型水轮机能量、空化性能参数，且满足双江口水电站水轮机水力开发条件，达到了预期目标。

2）在有限的试验条件下得到了较为准确的试验数据，其中压力脉动试验中模型机和原型机对于流体性质的不同而产生结果有误差，但数据变化趋势和稳定性方面提供了重要的参考依据。

文章来源:胡彬,张龙生,刘海洋,等.大变幅高水头水轮机模型试验研究[J].人民黄河,2024,46(S2):176-177.