S水電站左岸機組模型試驗研究報告目錄TOC\o"1-3"\h\u26494S水電站左岸機組模型試驗研究報告 1242241.1效率試驗 2318911.2水輪機功率試驗 481641.3空化試驗 5268561.4壓力脈動試驗 6137321.5補氣試驗 10隨著計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的日益成熟，科研人員會選擇適合的湍流模型去模擬水輪機整體過流部件（蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管）中的流態(tài)情況，但還是不能準(zhǔn)確的反應(yīng)流道內(nèi)的真實情況，如卡門渦、部分壓力脈動等?；炝魇剿啓C轉(zhuǎn)輪在正式投入生產(chǎn)之前需要進行模型試驗。通過模型試驗對水輪機的穩(wěn)定性進行研究，也是研究機組水力穩(wěn)定性的重要手段。本章主要內(nèi)容是介紹烏東德水電站左岸機組模型試驗的全面研究內(nèi)容，主要包括機組的能力特性、空化特性、壓力脈動以及補氣試驗等。為了更好理解文中相關(guān)符號代表的真實含義，特將模型試驗中相關(guān)符號做出如下解釋說明，詳見表2.1所示；同時介紹了從模型試驗的流量QM、水頭HM以及轉(zhuǎn)速nM轉(zhuǎn)換到原型機組的流量QP、水頭HP以及轉(zhuǎn)速nP的計算公式2-1、2-2、2-3。表2.1模型試驗中相關(guān)符合釋義符號單位定義bom導(dǎo)葉高度D1am轉(zhuǎn)輪進口直徑（葉片進口與下環(huán)交點處）D2am轉(zhuǎn)輪出口直徑（葉片出口與下環(huán)交點處）D3m轉(zhuǎn)輪出口直徑DZn活動導(dǎo)葉分布圓直徑fHz頻率fnHz轉(zhuǎn)頻Hm水輪機凈水頭nrpm轉(zhuǎn)速n單位轉(zhuǎn)速npPa壓力PW水輪機功率P單位功率PQm3/s流量Q單位流量Q?m大氣壓力水頭?m汽化壓力水頭?m吸出高度σ托馬系數(shù)σ=σ臨界空化系數(shù)，與無空化工況效率相比，效率降低1%時的空化系數(shù)。σ典型的空化現(xiàn)象出現(xiàn)時的空化系數(shù)從模型試驗的流量QM、水頭HM以及轉(zhuǎn)速nM轉(zhuǎn)換到原型機組的流量QP、水頭HP以及轉(zhuǎn)速nP的計算公式2-1、2-2、2-3。流量轉(zhuǎn)換：Q(2-1)水頭轉(zhuǎn)換：H(2-1)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換：n(2-1)效率試驗試驗水頭H=30m，空化系數(shù)計算參考面為導(dǎo)葉中心線（下同）。水輪機最優(yōu)效率點試驗在能量工況（高空化系數(shù)，下同）下進行，其他效率試驗在電站空化系數(shù)（σp）下進行。試驗結(jié)果見表2.2和表2.3。表2.2最優(yōu)效率點試驗結(jié)果與合同值比較合同保證值驗收試驗值單位轉(zhuǎn)速n1’M(rpm)61.2661.83單位流量Q1’M(l/s)678.1667.7對應(yīng)原型機水頭HP(m)~153.0158.2對應(yīng)原型機流量QP(m3/s)——612.6對應(yīng)原型機功率PP(MW)862.1915.02模型水輪機最優(yōu)效率M,opt(%)94.8194.88原型水輪機最優(yōu)效率P,opt(%)96.4596.58表2.3水輪機加權(quán)因子效率試驗結(jié)果與合同值比較凈水頭(m)參數(shù)功率P10611712713714515516160%Pr加權(quán)因子Wij0.050.10.210.190.732.12--模型效率ηm（%）合同保證值92.5692.291.8691.3490.7390.16--原型效率ηP（%）93.2093.8493.5092.9892.3791.79--模型效率ηm（%）驗收試驗值92.7992.4292.0591.4590.8690.32--原型效率ηP（%）94.3994.0293.6593.0592.4691.92--70%Pr加權(quán)因子Wij0.150.410.80.432.622.83--模型效率ηm（%）合同保證值93.0293.8293.2792.9392.4892.05--原型效率ηP（%）94.6695.4694.9194.5693.1293.68--模型效率ηm（%）驗收試驗值93.1493.9693.5593.0492.6392.09--原型效率ηP（%）94.7595.5695.1594.6493.2393.69--80%Pr加權(quán)因子Wij--2.183.71.164.594.310.4模型效率ηm（%）合同保證值--93.7194.3093.2393.6293.2393.02原型效率ηP（%）--95.3595.9495.8695.2694.8794.66模型效率ηm（%）驗收試驗值--93.9194.6093.2493.7793.3293.04原型效率ηP（%）--95.5196.2095.8495.3794.8394.6490%Pr加權(quán)因子Wij9.491.7810.1814.950.6模型效率ηm（%）合同保證值94.0094.6994.6293.2693.93原型效率ηP（%）95.6496.3396.2695.995.57模型效率ηm（%）驗收試驗值93.2394.6294.7493.2794.08原型效率ηP（%）95.8496.2396.3495.8795.68100%Pr加權(quán)因子Wij3.2918.7112.420.6模型效率ηm（%）合同保證值93.2494.6494.8494.49原型效率ηP（%）95.8896.2896.4796.13模型效率ηm（%）驗收試驗值94.3494.7294.8394.94原型效率ηP（%）95.9496.3296.4396.54注：Pr為水輪機額定功率862.1MW。表中模型效率為轉(zhuǎn)換到參考雷諾數(shù)ReM*=7x106下的效率。從表2.2可以看出，烏東德水電站左岸機組水輪機模型試驗中各項指標(biāo)均優(yōu)于合同的保證值，其中試驗驗收值中最優(yōu)效率對應(yīng)的設(shè)計水頭高于合同值，有利于原型機組的后續(xù)運行穩(wěn)定性，特別是巨型混流式水輪機的設(shè)計水頭越接近于最大水頭，越有利于機組的運行穩(wěn)定性。在表2.3中分別羅列出了模型轉(zhuǎn)輪在特定水頭下分別發(fā)出特定功率的比重（其中表格中加權(quán)因子的總和為100%），從試驗結(jié)果來看，水輪機加權(quán)因子效率試驗結(jié)果均優(yōu)于合同保證值?？傮w而言，效率試驗結(jié)果要優(yōu)于合同要求。水輪機功率試驗水輪機功率試驗主要是在特定的水頭、導(dǎo)葉開度、流量下，驗證水輪機的功率是否滿足合同要求值。試驗結(jié)果與合同保證值的比較見表2.4。表2.4不同水頭、導(dǎo)葉開度下水輪機功率保證值與合同值比較合同保證值驗收試驗值水頭HP(m)導(dǎo)葉開度(%)功率PP(MW)流量QP(m3/s)水頭HP(m)導(dǎo)葉開度(%)功率PP(MW)流量QP(m3/s)106.0100558.2567.1106.2100562.6569.1139700734.5106.1138702.0735.7117.0100662.9605.3117.0100664.6607.1139830785.1117.0139833.5785.8127.0100760.1638.4127.2100763.2639.9114840.0713.6127.3114845.0714.7127.1119864.5736.2137.0100862.1671.2136.9100862.2671.5143.092862.1640.4143.292864.7642.1163.472862.1560.1163.772867.9561.7173.066862.1532.4173.366863.2531.8在水頭的選擇中，106m為烏東德水電站機組運行最小水頭；137m為機組的額定水頭；163.4m為烏東德水電站機組最大水頭；特別173m是為了驗證烏東德水電站下游拓挖后的機組最大水頭。根據(jù)模型驗收試驗結(jié)果，水輪機的能量特性有以下幾點結(jié)論：（1）在凈水頭為158.2m、導(dǎo)葉開度為20.8°(80.9%)時，模型水輪機最高效率為94.88%，對應(yīng)原型水輪機最高效率為96.58%；（2）通過加開導(dǎo)葉開度的方法，水輪機在水頭127m下能達到水輪機額定功率，此時的導(dǎo)葉開度為119%，但是水輪機的汽蝕特性處于未知狀態(tài)。（3）烏東德水電站機組的額定水頭為137m，此時水輪機發(fā)出額定功率862.1MW時的導(dǎo)葉開度為額定開度。它的額定開度為25.7°（100%），對應(yīng)的原型水輪機效率為95.94%?？栈囼灴栈囼炛饕獧z驗轉(zhuǎn)輪設(shè)計中汽蝕性能，其中模型試驗水頭H=30m。其中臨界空化系數(shù)σ1指與無空化工況效率相比，效率降低1.0％時的空化系數(shù)，臨界空化系數(shù)是通過測試能量特性的變化確定的，反映了水輪機效率、出力等參數(shù)隨空化系數(shù)變化的特性，和轉(zhuǎn)輪內(nèi)是否產(chǎn)生空化、空蝕沒有必然聯(lián)系。σi初生空化系數(shù)，隨吸出高度的減少，尾水管內(nèi)真空度的增加，初生空化系數(shù)是通過觀測水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)各部位產(chǎn)生空化的狀況確定的，是反映轉(zhuǎn)輪空化性能的基本參數(shù)，但無法替代臨界空化系數(shù)在確定水輪機效率和出力性能方面的作用，空化試驗結(jié)果見表2.5。表2.5空化試驗結(jié)果與合同值比較工況電站空化系數(shù)（σp）σp/σiσp/σ1凈水頭H(m)功率P(MW)尾水位(m)合同保證值驗收試驗值合同保證值驗收試驗值106.0100%開度時功率558.2MW843.240.46654.51--10.37--最大保證功率700MW843.240.46652.722.676.115.48117.0100%開度時功率662.9MW828.420.29603.21--6.14--最大保證功率830MW828.420.29601.751.793.613.49127.0100%開度時功率760.1MW817.820.18921.98--3.93--最大保證功率840MW817.820.18921.581.603.213.53127.0*額定功率862.1MW817.820.1892--1.44--3.38137.0862.1MW817.990.17661.931.963.104.35143.0*1015MW817.840.1682--1.4--2.74145.0862.1MW817.770.16542.242.344.755.58155.0862.1MW817.420.15252.782.815.376.52161.0862.1MW815.550.13522.782.824.745.75170.0862.1MW811.90.10652.242.283.233.18其中，電站空化系數(shù)，式中：H—水輪機運行水頭，EL尾—相應(yīng)運行水頭的尾水位，803.0m為烏東德水電站水輪發(fā)電機組導(dǎo)水機構(gòu)安裝中心線高程。另外，凈水頭127*、143*為現(xiàn)場試驗過程中額外試驗結(jié)果，不在合同執(zhí)行范圍內(nèi)。根據(jù)模型驗收試驗結(jié)果，水輪機的空化特性如下：（1）在合同規(guī)定的各特征工況點σp/σi均大于1.1，σp/σ1均大于1.45，水輪機在運行范圍內(nèi)無空化；（2）第2.2小節(jié)中已經(jīng)證實水輪機在127m水頭下能發(fā)出額定功率，再根據(jù)表2-5中的試驗結(jié)果：在127m水頭下水輪機發(fā)出額定功率時空化性能較好，進一步證實了左岸機組在低水頭127m下能發(fā)出862.1MW。（3）烏東德水電站水輪發(fā)電機組的最初設(shè)計就是按照百萬千瓦級執(zhí)行的。在143m水頭下，進行的超發(fā)工況（143m=1015MW）的空化試驗；試驗表明在超發(fā)工況運行時，水輪機仍然有足夠的安全余量。（4）葉片進水邊正壓面和負壓面空化初生線的判定：試驗時通過光纖內(nèi)窺鏡在轉(zhuǎn)輪進口處觀測到3個葉片上同時出現(xiàn)可見氣泡。試驗結(jié)果表明，葉片進水邊正壓面和負壓面空化初生線均在機組運行范圍之外。壓力脈動試驗?zāi)Ｐ驮囼炛械淖冐摵稍囼災(zāi)苡^察到水輪機在不同負荷下壓力脈動的頻率、幅值情況，特別對于高水頭情況混流式水輪機穩(wěn)定性較差的情況，壓力脈動試驗更能起到很好的預(yù)測。對8個原型運行水頭（106m、117m、127m、137m、143m、155m、163.4m、173m）進行了壓力脈動測量。在每一水頭下，試驗從空載開度(機組達到額定轉(zhuǎn)速后投入電網(wǎng)的瞬間，導(dǎo)葉所達到的開度)至導(dǎo)葉開度36°(或水輪機功率1015MW，先到達為準(zhǔn))，每隔2測量一次，對部分負荷區(qū)域每隔0.2進行加密測量。試驗結(jié)果對比見表2.6~2.8。表2.6原模型水輪機尾水錐管壓力脈動時域峰峰值△H/H保證值水頭范圍功率范圍距轉(zhuǎn)輪出口0.3D2處測得的△H/H不大于(%)合同保證驗收試驗106m(含106m)～137m空載(含空載)～45%保證功率6.05.745%(含該功率)～60%保證功率4.53.960%(含該功率)～70%保證功率3.02.670%(含該功率)～100%保證功率(含該功率)1.51.6137m(含137m)～163.4m空載(含空載)～45%額定功率5.04.545%(含該功率)～60%額定功率4.53.660%(含該功率)～70%額定功率3.02.970%(含該功率)～100%額定功率(含該功率)2.52.2163.4m(含163.4)～173m(含173m)空載(含空載)～45%額定功率4.53.245%額定功率(含該功率)～60%額定功率3.53.360%額定功率(含該功率)～70%額定功率3.53.570%額定功率(含該功率)～100%額定功率(含該功率)3.02.8表2-7原/模型水輪機蝸殼進口壓力脈動混頻峰峰值△H/H保證值水頭功率范圍在蝸殼進口段距離X-X斷面上游側(cè)1.0D2處測得的△H/H不大于(%)合同保證驗收試驗106m～173m60%-100%保證功率或額定功率2.01.6其余功率范圍3.54.3表2.8原模型水輪機導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動時域峰峰值△H/H保證值水頭范圍功率范圍導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前區(qū)域測得的△H/H不大于(%)合同保證驗收試驗106(含106m)～137m空載(含空載)～45%保證功率5.05.145%(含該功率)～60%保證功率3.02.160%(含該功率)～70%保證功率2.01.570%(含該功率)～100%保證功率(含該功率)3.53.7137m(含137m)～163.4m空載(含空載)～45%額定功率4.03.245%(含該功率)～60%額定功率3.02.860%(含該功率)～70%額定功率3.02.670%(含該功率)～100%額定功率(含該功率)2.52.1163.4m(含163.4m))～173m(含173m)空載(含空載)～45%額定功率4.03.445%額定功率(含該功率)～60%額定功率3.02.860%額定功率(含該功率)～70%額定功率3.02.870%額定功率(含該功率)～100%額定功率(含該功率)2.52.3從表2.6至表2.8中可以看出，左岸機組轉(zhuǎn)輪在低水頭運行時在蝸殼和無葉區(qū)（活動導(dǎo)葉后，轉(zhuǎn)輪葉片進口前）處以及尾水管中的壓力脈動幅值部分超過了合同范圍的保證值，其余均在合格范圍內(nèi)，從另外一個角度來說明，該轉(zhuǎn)輪在全水頭、全負荷期間無特殊壓力脈動的存在。圖2.1低水頭下各測點壓力脈動隨負荷的變化趨勢圖2.2各測點壓力脈動在不同水頭下隨負荷的變化趨勢在圖2.1和圖2.2中給出106、117、127三個水頭，傳感器測點選取蝸殼進口、活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪（無葉區(qū)）、錐管段0.3D、錐管段1.0D、彎肘段等5處的壓力測點與負荷的變化趨勢。（1）106m水頭下，在0-450MW區(qū)間整體減小；在450M-600MW比較平穩(wěn)；在600MW-700MW呈現(xiàn)上升的趨勢，但是在機組預(yù)想出力700MW時，無葉區(qū)壓力脈動3.68%超出合同3.5%的要求。（2）117m水頭下，在0-500MW區(qū)間整體減小，但是錐管段1.0D處的壓力脈動波動較大；在500MW-750MW區(qū)間壓力脈動特性比較平穩(wěn)；在750MW-836MW區(qū)間呈現(xiàn)上升趨勢；（3）127m水頭下的壓力脈動特性可以劃分為：小負荷工況區(qū)域（0-300MW）；渦帶工況區(qū)域（300MW-500MW）；大負荷工況區(qū)域（600MW-900MW）；超負荷工況區(qū)域（900MW-945MW）。（4）針對不同水頭、同一測點，所有的壓力脈動趨勢分析基本保持一致。補氣試驗根據(jù)第2.4小節(jié)中壓力脈動試驗結(jié)果，選取了4個特征水頭（173m、163.4m、117m、106m）共計13個工況點（壓力脈動峰值點），進行了主軸中心孔補氣試驗，補氣量分別為0.3%Qr、0.6%Qr、0.9%Qr。為防止尾水倒灌，106m水頭試驗點的試驗水頭為20m，其他試驗點試驗水頭約為30m。結(jié)果見表2.9，表2.10。表2.9 尾水管壓力脈動混頻最大雙振幅補氣試驗結(jié)果水頭(m)導(dǎo)葉開度（°）功率(MW)驗收