一种减轻混流式水轮机高部分负荷压力脉动危害的方法与流程

本发明涉及一种减轻混流式水轮机高部分负荷压力脉动危害的方法，属于水轮机技术领域。

背景技术：

在水电站水轮机的运行中，常遇到各种压力脉动导致的水力不稳定问题，混流式水轮机高部分负荷压力脉动就是其中之一。“高部分负荷压力脉动”是指发生在混流式水轮机75％～90％最优流量范围内的压力脉动。该压力脉动多发生在中低水头混流式水轮机，压力脉动幅值可达电站水头的30％；其频率比较高，通常为转速频率的1～4倍(常见的偏心涡带频率为转速频率的0.2～0.5倍)；对空化系数非常敏感，常随空化系数降低幅值急剧增加，其高幅值压力脉动范围也会增宽。该压力脉动会严重危害水电站水轮发电机组运行稳定性，造成叶片裂纹等破坏，引起国内外高度重视。在国际电工委员会(简称IEC)颁布的国际标准《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》(IEC60193：1999)重点介绍了该压力脉动，其介绍的压力脉动时域曲线及频谱分析结果如图1所示。

但是，由于对高部分负荷压力脉动的产生及发展机理了解甚少，很难提出行之有效的减轻措施。尽管补气也能降低该压力脉动幅值，但由于会降低水轮机效率，仍属于无奈的选择，电站在一般情况下不希望选用。受诸如此类因素影响，许多水电站发生了大幅值压力脉动，严重危及机组运行安全。而有的水轮机虽然通过对水轮机的优化设计降低了该压力脉动幅值，但由于不清楚是哪个具体因素或细节的改变产生了实质影响，其经验无法推广到其他水轮机和其他电站。

因此，有必要研究高部分负荷压力脉动的产生机理，并在此基础上提出减轻甚至消除该压力脉动的有效措施和方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻混流式水轮机高部分负荷压力脉动危害的方法，该方法是在弄清高部分负荷压力脉动的产生原因的基础上提出的，能够有效减轻甚至消除高部分负荷压力脉动的危害。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻混流式水轮机高部分负荷压力脉动危害的方法，包括以下两个方面的优化：1)减小转轮叶片靠近上冠处的出水边与水平面之间的夹角，以减小转轮叶片内侧出口水流环量；2)增加转轮叶片数，以增加叶栅稠密度，提高叶片出水边压力并改善压力分布。

所述步骤1)中，减小后的转轮叶片靠近上冠处的出水边与水平面之间的夹角为8°～20°。

增加后的转轮叶片数为15到17个。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明是在弄清混流式水轮机高部分负荷压力脉动产生原因的基础上形成的，是从根本上解决问题，可做到有的放矢，针对性很强。2、本发明提出的减轻高部分负荷压力脉动措施都条理清晰，步骤简单，可操作性比较强。

附图说明

图1是IEC60193提供的水轮机高部分负荷压力脉动波形及频谱分析曲线；

图2是混流式水轮机尾水管涡带照片；

图3是混流式水轮机尾水管进口压力分布图；

图4是混流式水轮机转轮结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种减轻混流式水轮机高部分负荷压力脉动危害的方法，其包括对水轮机的以下两个方面的优化：

1)将转轮叶片2靠近上冠1处的出水边5与水平面之间的夹角由现有的10°～25°减小至8°～20°，以减小转轮叶片2内侧(靠近上冠1处)出口水流环量，并进而减小尾水管自由涡初始半径d₀(即图3所示两侧压力急转弯处水平距离)处的初始环量，能起到减小涡带空腔尺寸、减小涡带中细绳状涡带股膨胀-收缩幅度的作用，减小高部分负荷压力脉动。

2)增加转轮叶片数，如从13个叶片增加到15个叶片，高水头电站也可由15个叶片增加到17个叶片。一方面可增加叶栅稠密度，以减小水轮机初生空化系数；一方面还可减小叶片之间距离，降低叶道内水流扰动程度，使出口水流更均匀，达到减轻高部分负荷压力脉动之目的。

本发明所提出的减轻水轮机高部分负荷压力脉动危害的方法，是基于“水轮机高部分负荷压力脉动是水轮机转轮叶片出口流速不均匀导致尾水管涡带中Z_r个(转轮叶片数)小细涡膨胀-收缩带来的压力变化”这一创新概念提出的新方法。之所以认为高部分负荷压力脉动来自于尾水管涡带，是转轮叶片出水边压力的不均匀带来的影响，其原因在于：

(1)如图2所示，尾水管涡带像粗麻绳一样，由许多小细股缠绕在一起组成，而这些“细绳”的股数就是转轮叶片数Z_r(Z_r＝13～17)；

(2)转轮叶片出水边5压力分布不均匀，当最内侧Z_r个不均匀的压力波围绕涡带旋转时，高压部分会使涡带收缩(看上去较暗部分)，低压部分会使涡带膨胀(看上去较亮部分)，便形成Z_r股亮暗相间空腔涡带；

(3)在高部分负荷工况，转轮内侧出口环量比较小，约为转轮旋转圆周速度U的0.1～0.4倍；当该环量围绕涡带空腔旋转时，会有相对运动，其相对运动的速度△V_u＝a·(0.1～0.4)·U(其中a为相对运动速度比△V_u/V_u，a<1)，Z_r个压力波带给涡带膨胀-收缩的频率f＝a·Z_r·(0.1～0.4)·f_n(f_n是转速频率)，与大量试验证明的高部分负荷压力脉动频率f＝1～4fn比较吻合；

(4)当空化系数σ降低时(既叶片出水边压力降低)，涡带空腔会增大，每股“细绳”的体积会增大，其膨胀-收缩产生的压力震荡也会增大，会造成压力脉动幅值大幅度增加，和大量试验测量结果一致；因此，增大叶片出水边压力，可起到减小高部分负荷压力脉动幅值的作用；

(5)尾水管进口(即转轮出口)存在漩涡水流，其外侧是强制涡，直接受转轮出口环量影响，压力越往外越高，但上升幅度非常小；内侧很小的范围内是自由涡，环量保持不变，即越往内圆周方向流速越大，压力越低，且压力下降梯度非常大(见图3)；而内侧环量大小主要取决于靠近上冠处叶片出水边环量的大小，因此可通过减小该处环量来减小甚至消除高部分负荷压力脉动。而增加叶片数，即可以提高转轮出口压力，又可以增加叶片出口边压力分布均匀程度，都能起到“细绳”直径的的作用，减轻其膨胀-收缩引起的压力脉动。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。