导叶开口对混流水轮机尾水管压力脉动的影响

导叶开口对混流水轮机尾水管 3 压力脉动的影响 吴 钢 韦彩新 谭月灿 张克危 () 华中理工大学动力工程系 摘 要 将水压力脉动测试、流场测试以及初生空化观测等实测结果进行对比分析, 研究水轮机活动导叶开 口的变化对尾水管水压力脉动的影响, 为进一步研究并建立尾水管水压力脉动数学模型提供依据. 关键词 导叶开口; 尾水管水压力脉动; 单位参数; 压力脉动控制线 分类号 T K 73 ( ) 尾水管水压力脉动是混流式水轮机产生水力 直观地显示在主要综合特性曲线上 见图 1, 图 { 振动的主要原因之一, 严重影响水轮机安全运行. 中圆圈直径代表该圆圆心处的 ?H.由于影响尾水管水压力脉动的因素较多, 因此在 根据测试结果可绘出尾水管压力脉动最小值理论上还未被完全认识. 本文通过混流式转轮模 () 中所述的 曲线 图 1 中虚线, 此曲线与文献 1 型试验, 研究水轮机导叶开口的变化与混流式转 由图 1 可看 压力脉动控制线 n 11 = kQ 11 很接近. 轮叶片进出口水流流态的关系, 经分析证明叶片 出口流态对尾水管水压力脉动影响很大. 文中采 出, 当工况区在此虚线左上部分区域内、导叶开口 用的专业参数符号按 /21996 定义.2900. 45GB T { a 0 一定时, ?H随 n 11 减小而减小; 而 n 11 一定时, { ?H随 a 0 减小而增加.1 不同导叶开口下的模型试验分析 1. 1 试验设备及试验工况 试验模型转轮采用华中理工大学水力机械教 研室研制的混流式模型转轮, 比转速为 250, =D λ250 , 相对导叶高度 0 = 0. 25, 模型特性曲线 mm b 如图 1 所示. 在水轮机空蚀试验台上, 分别进行 了尾水管水压力脉动测试、流场测试及初生空化 观测, 试验工况点见图 1, 图中导叶开口单位为 尾水管进口处水压力脉动信号由在尾水管 . mm 处上、下游方向分别设置 锥管段进口以下 0. 3D 图 1 混流式转轮主要综合特性曲线 , 并将其输出的相 的两个应变式压力传感器采集{ 在导叶小开口、高水头工况下, 对 变?Hn 11 应电压信号通过信号调节器经示波器显示记录.{ , n 11 略有变化, ?H就有较大的突变. 这 化很敏感流场测试采用五孔球形探针, 在尾水管进口处分 一试验结果说明: 对于中高比转速混流式水轮机, 别对不同开口、不同半径情况下的速度分布进行 在 高 水 头、小 流 量 工 况 下, 当 水 头 略 有 变 化 时,测定. 采用频闪仪来观测转轮内流体初生空化现 { ?H会有较大的变动. 因而在活动导叶小开口工 象. 况下运行, 对水轮机水力稳定运行不利. 1. 2 导叶开口与尾水管压力脉动之间的关系 { 1. 3 导叶开口与尾水管进口流场分布的关系 ?H为 双 振 幅 相 对 水 压 力 脉 动 值, 即 定 义 { 尾水管进口处的流场测量所得速度分布曲线 (为试验 ?H= 2A H/A 为压力脉动单振幅值, H 见图 2. 如图 1 所示的 = 14, 在 11 和 12 测试点a 0 ) 水头, 单位为 %. 将尾水管水压力脉动测试结果 收稿日期: 1999206208. ()吴 钢, 男, 1958 年生, 硕士; 武汉, 华中理工大学动力工程系 430074. ()3 国家“九五”攀登预选资助项目 9521907.PD 华 中 理 工 大 学 学 报 1999 年 28 由图 1 也可看出, 14 号测点对应的实测压力 { 脉动值 也是较小的. ?H 1. 4 导叶开口与转轮内水流空化之间的关 系 ( ) 空化试验的测试结果 见表 1表明在 ( ) 小 开口处 图 1 中, 3 点, 初生空化现象发 生较早, 有较多的空泡在流道中产生; 在测试 点 6 处, 初生空化现象发生较晚, 产生空泡数 量较测试点 3 要少得多. 与尾水管压力脉动 测试结果进行比较, 可以发现, 除个别测试点 图 2 尾水管进口处速度分布曲线 处尾水管中心附近区域的轴向速度分量相对值 外, 多数情况下转轮内初生空化系数较大的 12 测试点, 尾水管压力脉动值也较大./()为负值, 随着径向半径向尾水 K V = V z /2g H z 表 1 初生空化系数表 逐渐增加为正值, 显然在 管边壁方向增加时, K V z 试验工况 3 6 7 13 21 20 () 较低水头 或 n 11 较大时, 轴心处有回流现象; 而 点号 14 和 15 点处水流轴向速度分量 K V 均为正值, z 8 10 12 14 18 18 a0 ()回流现象消失, 见图 2 . 此现象与尾水管压力 66 66 76 76 84 90 an 11 Ρ初 0. 810 0. 546 0. 445 0. 285 0. 196 0. 247 ( ) 脉动实测结果 见图 1比较, 可以看出, 出现较 { ?H 0. 927 0. 540 2. 480 1. 440 1. 960 1. 560 大的尾水管压力脉动时转动中心处的 K V 均为负 z 值. 2 导叶开口对转轮叶片进口流态的 ()2 所示, 11 和 12 两试验点的圆周 如图 b 影响均为正值, 表明转轮出口水 速度分量相对值 K V u 2. 1 最优工况下转轮叶片进口水流速度三角形 流旋转方向在此两工况下与转轮转动方向一致, 由水力机械原理知识得知, 水流在叶片进口 在尾水管内产生正涡旋流动; 测点 15 处的 K V 值 u 处为无撞击进口即为水轮机最优工况条件之一, 多数为负值, 说明转轮出口水流旋转方向与转轮 此时水流相对速度方向与叶片进口骨线相切, 水 转动方向相反, 在尾水管内产生负涡旋流动; 测点 导 ()流不会在叶片表面产生脱流现象, 见图 3 a . 值在 0 值附近波动. 由图可看出, 随着 14 处的 K V u 12 /叶开口变化, 使得水流流入叶片的方向也发生变 ( ) n 11 的减小, K V = V u 2g H 逐 渐 减 小. 测 点 偏 /u 化, 而混流式转轮叶片进口骨线角度不能作相应 离 14 测点, 的绝对值会增大, 14 测点的实测 K V u 调整, 这样在叶片进口的背面或工作面产生脱流 压力脉动值为最小. 2 . 空化现象 图 2 () 表明在 2 和 5 测试点处尾水管中心 c 附近区域的 K V 为负值, 随着开口增大, K V 逐渐 z z 增大, 到 14 号测点 为最大. 显然运行工况在 K Vz 控制线 n 11 = kQ 11 上部, 单位转速不变时, 在导叶 () 小开口 如 2 和 5 号测点, 轴心处有回流现象; 而 8 和 14 点处水流轴向速度分量 K V 为正值, 且 z 逐渐增加, 说明测点由小开口向压力脉动控制线 ( ) ( ) ( ) a最优工况 b小导叶开 c大导叶开 口工况 口工况 移动过程中, 轴心处回流现象逐渐消失. 同样将此 图 3 转轮叶片的进口、出口水流速度三角形 () 现象与尾水管压力脉动实测结果 见图 1比较, 2. 2 不同导叶开口下的转轮叶片进口水流流态均为负值的测点都 , 转动中心处的 K V 可以看出z 由分析叶片进口处水流速度三角形可知, 当 出现较大的尾水管压力脉动.单位转速 不变时, 导叶开口 增加, 水流的进 n 11 a 0 (逐 渐 减 )由 图 2 看 出, 随 着 a 0 增 加, K V d u 口角 增大, 相对进口角 减小, 水流流入叶片Α1 Β1 ) ( 小, 到 a 0 = 14 mm 如 14 号测点时, K V 值在零 u () , 见图 3 的冲角由正值逐渐向负值变化c; 当 a 0 值偏下, 说明 14 号测点已在控制线 = 以 n 11 kQ 11 ( 不 变, 即 进 口 角 Α1 不 变 时, 水 头 减 小 或 n 11 增 下. 但相对于 2, 5 和 8 号测点, 14 号测点更接近 大) , 水流速度 减小, 相对进口角 减小, 水流 V 1 Β1 压力脉动控制线, 因而该测点的 K V 值接近最小, u 第 9 期 吴 钢等: 导叶开口对混流水轮机尾水管压力脉动的影响 29 流入叶片的冲角也逐渐向负值方向变化. . 形 在水轮机最优工况下, 转轮叶片出口水流方 对于中高比转速的混流式转轮叶片进口角一 向与圆周方向垂直, 即 = =? 0, 又称为 90V u 2 V 2 co s般小于 90?, 在导叶小开口、低单位转速工况下, 1, 3 ()法向出口, 见图 3 . 已有文献论述, 是产 a V u 2 即在图 1 曲线的左下角区域, 水流通过小开口的生尾水管压力脉动的主要因素之一. 导水机构后, 在转轮进口处轴面速度分量较小, 而 . 不同导叶开口下转轮叶片出口水流流态. B圆周速度分量较大, 水流流进叶片时的正冲角较 . 工况点在压力脉动控制线上方时叶片出 a()在叶片背面靠近进口边区域会产 , 见图 3 b . 大口流态. 当测试工况点在尾水管压力脉动控制线 生脱流, 形成空化现象, 空化区尾部极不稳定. 空 上方时, 水流出水角 比最优工况下的要小, 即 Α2 泡在转轮内的脱离和溃灭的瞬间, 会产生强烈的 小于 90,? 这时水流的 与转轮转动方向一致,V u 2 压力脉动. 这种空化的形成和运动形态对导叶开 产生正涡旋运动, 转轮出口水流的涡旋运动是引 1 口 变 化 极 为 敏 感, 基 本 不 受 装 置 空 化 系 数 的 影 起混流式水轮机水力振动的主要因素. 工况点 2 ( ) 响. 这与前述 1. 2 节现象相符.() 离控制线越远, 正涡旋运动越强烈. 如图 3 所 b 示, 当 逐渐增加, 即 逐渐增加时, 相对速度 Q 11 a 0 在大导叶开口、高单位转速工况下, 即在图 1 增大, 水流出水角 渐渐增大, 接近法向出口 W 2 Α2 曲线的右上角区域, 水流冲角负值较大, 见图 3 角, 也 逐 渐 减 小, 水 流 的 涡 旋 运 动 强 度 降 ( )V u 2 # 2 . 在叶片正面靠近头部会产生脱流, 形成空化 c 低, 尾水管压力脉动值也相应降低. 现象. 空泡沿着叶片之间的流道向转轮出口方向 . 工况点在压力脉动控制线下方叶片出口 b运动. 空泡的形成、运动和溃灭过程也是影响转轮 流态. 当测试工况点在尾水管压力脉动控制线下 内水力稳定性的重要因素. 方时, 比最优工况下的要大, 这时水流的 与 Α2 V u 2 中高比转速的混流式转轮, 在上述两个区域 1 转轮转动方向相反, 产生负涡旋运动, 工况点离 内水流在转轮进口叶片表面均会产生脱流, 生成 空泡, 引起转轮内水力振动. 与尾水管压力脉动实 测结果比较分析, 发现此两区域的压力脉动值对 导叶开口变化极为敏感, 工况略有变化, 压力脉动 ()控 制线越远, 负涡旋运动越强烈. 如图 3 所 会有突变. 但这两个区域的尾水管压力脉动幅值 c 均不大. 这说明, 有空泡流出转轮只是给形成涡带 示, a 0 逐渐增加, 即 Q 11 逐渐增加时, Α2 渐渐增大, 创造了条件, 有涡带出现并不一定出现较大的压 远离法向出口角, 也逐渐负增加, 水流的涡旋 V u 2 力脉动. 实测证明有些工况下虽出现涡带, 但压力 运动强度1 1 加强, 尾水管压力脉动加剧.# 2 脉动并不强烈, 而在其他一些工况下出现的涡带 现象, 会伴随有非常强烈的压力脉动. 这说明尾水 参 考 文 献 管进口有空泡不一定会出现强烈的压力脉动. 1 吴 钢, 韦彩新, 张克危等. 水轮机尾水管水压力脉动 与 运 行 工 况 的 关 系. 华 中 理 工 大 学 学 报, 1998, 26 () 11: 88, 91 2 谭月灿, 韦彩新, 唐穗平等. 改善柘溪电站混流式水轮 机水力稳定性的研究. 水力发电, 1998, 2: 47, 51 导叶开口对转轮叶片出口流态的 3 3 王珂 . 水力机组振动. 北京: 水利电力出版社, 1986. 影响 最优工况下转轮叶片出口水流速度三角 A. The Ef f ec t of Ga ta ge on the Pre ssure F luc tua t ion in D ra f t Tube of Fran c is Turb in e W u G a n g W e i C a ix in T a n Y u eca n Z h a n g K ew e i A bstra c t T h e re su lt s o f th e p re ssu re f lu c tu a t io n an d f low f ie ld m ea su r in g an d in it ia l cav ity o b se rva2 . t io n a re com p a red an d an a lyzedT h e effec t s o f ga tage o n th e p re ssu re f lu c tu a t io n in th e d raf t tu b e o f . F ran c is tu rb in e a re stu d iedT h e b a sis is p ro v ided fo r se t t in g m a th em a t ica l m o de l o f th e p re ssu re f lu c2 .tu a t io n in th e d raf t tu b e o f F ran c is tu rb in e ; ; ; Keyword s ga tagep re ssu re f lu c tu a t io n d raf t tu b eu n it p a ram e te rp re ssu re f lu c tu a t io n co n t ro l lin e ; . . , , 430074, .W u Gan g Po stg radu a teD ep to f Pow e r E n gHU ST W u h an C h in a