CN105260580B - 一种确定混流式水轮机尾水管压力脉动幅值的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定混流式水轮机原型机尾水管压力脉动幅值的方法，用来预测混流式水电站每个运行工况下的运行稳定性。在模型水轮机的研发阶段，就能准确预估原型机的稳定性；该方法基于相对流量和基于转轮叶片出口速度头的压力脉动相对幅值；根据统计规律，得到反映该电站尾水管压力脉动本质的曲线；根据原型机运行参数对尾水管压力脉动进行预测，进而判断机组的运行区域的稳定性。该方法首次在世界范围了建立了一种混流式水轮尾水管压力脉动的预测方法。不论是对于原型机的运行还是新建电站的研发阶段，都有重要意义。

Description

一种确定混流式水轮机尾水管压力脉动幅值的方法

技术领域：

本发明涉及水力机械领域，一种确定混流式水轮机原型机尾水管压力脉动幅值的方法。

背景技术：

首先，在国家能源体系中占有重要的地位的三峡、溪洛渡、向家坝等大型、巨型混流式水电机组论证、研发、运行及白鹤滩、乌东德等1000MW级巨型混流式水电机组的论证、研发过程中，混流式水电机组的稳定性问题，特别是混流式水轮机的压力脉动问题始终是机组选型的重要指标，某些情况下，由混流式水轮机压力脉动引起的机组不稳定可能成为影响机组稳定安全运行乃至电网安全的大问题；再者，针对某些大型、巨型电站水轮机的压力脉动过大问题，往往无法也不能够直接在原型水轮机上进行相应的修改完善工作。针对上述情况，业内通行的做法是首先通过在与原型机模拟的模型水轮机上进行试验的结果来预测和检验原型机的压力脉动情况。但是，由于混流式水轮机压力脉动影响因素很多，目前还没有一种有效的方法能够准确地将模型水轮机的压力脉动试验结果换算到原型机。本发明就是要形成一种能够准确地将模型水轮机的压力脉动试验结果换算到原型机的方法，从而能够在大型、巨型混流式水轮机研发阶段就能够根据模型试验的结果对拟建设的原型机的压力脉动情况做出一个准确的预测同时还可以检验相应的完善方案对已运行的大型、巨型混流式水轮机压力脉动的改善情况。对于已运行的电站的安全稳定运行也有重要意义。

我国水能资源可开发的装机容量5.70亿千瓦，2012年底已开发装机容量2.489亿千瓦。这其中有相当大的一部分是混流式机组。本发明将直接有效地实现准确预测拟建混流式水轮机压力脉动情况从而合理选择原型机组的安全运行区域，消除安全隐患。同时，还可以针对已运行混流式水轮机压力脉动情况，在模型水轮机上快速检验完善方案，实现降低已运行混流式水轮机压力脉动的目的，扩大原型机组的安全运行区域，提高机组的利用率。

发明内容：本发明的目的是能够在水电站的模型研发阶段，就能准确的预估原型机的稳定性，降低原型机的运行风险。

本发明采用基于零环量的相对流量和基于转轮叶片出口速度头的压力脉动相对幅值对该水轮机尾水管压力脉动特征进行归一化，采用统计规律得到该水轮机的本质属性曲线，根据原型机的实际运行参数预估尾水管压力脉动特性。

具体的技术方案如下：

基于零环量流量的相对流量和基于叶片出口速度头的压力脉动相对幅值，该方法包括如下步骤：

1)通过模型水轮机效率试验确定该水轮机零环量流量线：水轮机的零环量流量定义为转轮出口速度三角形流体绝对速度为法向时的流量，各单位转速下零环量流量连成的线为零环量流量线，通过模型试验给出，定义为每个单位转速下最高效率点连成的直线，在高空化系数下，水轮机的水力效率为工况点Q₁₁和n₁₁的函数，即η＝f(Q₁₁,n₁₁)，其中Q₁₁和n₁₁的定义为：

式中，Q、H、D、n分别为模型试验流量、模型试验水头、模型转轮公称直径和转轮转速；零环量流量线为每个单位转速下效率最高点对应点连成的直线；

2)通过模型水轮机压力脉动试验确定水轮机尾水管压力脉动幅值：

在覆盖原型机运行范围里进行模型水轮机的压力脉动试验，模型试验在原型机特征水头对应的单位转速下进行，模型水轮机压力脉动试验需在电站空化系数下得到尾水管压力脉动幅值A与工况点Q₁₁及n₁₁的函数，即A＝f(Q₁₁,n₁₁)，其中，压力脉动幅值A为97％置信度下的压力脉动峰峰值△H与试验水头H的比值，即△H/H，△H为97％置信度下压力脉动峰峰值，H为模型试验水头，Q₁₁和n₁₁为单位流量和单位转速，表示工况运行参数；

3)水轮机压力脉动幅值归一化处理：

将模型试验得到的压力脉动试验△H/H＝f(Q₁₁,n₁₁)进行归一化处理，单位流量通过零环量流量进行归一化，即Q₁₁/Q_11,0；压力脉动幅值通过转轮叶片出口速度头进行归一化，即ΔH/h_dyn,u，其中叶片出口速度头h_dyn,u的定义如下：

通过归一化处理，得到每个单位转速n₁₁下尾水管压力脉动相对幅值与相对流量的关系曲线，即△H/h_dyn,u＝f(Q₁₁/Q_11,0)，其中u为转轮叶片出口圆周速度，n为转轮转速，D₂为模型转轮公称直径，g为重力加速度；

4)确定该水轮机尾水管压力脉动本质属性曲线：

在不同的相对流量Q₁₁/Q_11,0下，计算不同单位转速n₁₁下△H/h_dyn,u＝f(Q₁₁/Q_11,0)的平均值，由该平均值拟合的曲线即为反映该水轮机尾水管压力脉动幅值特性的本质属性曲线，其中Q₁₁和Q_11,0分别为单位流量和零环量流量，△H和h_dyn,u分别为97％置信度下压力脉动峰峰值和叶片出口速度头；

5)原型机尾水管压力脉动幅值的确定：

根据水电站水轮机的运行条件，查取该工况下原型水轮机的流量Q_p和水头H_p，并通过下列公式转换成单位量：

根据计算的单位转速n₁₁，根据模型效率试验查取该单位转速下零环量流量Q_11,0，计算该工况下的相对流量Q₁₁/Q_11,0；通过该相对流量值，查取该电站该工况下的尾水管压力脉动相对幅值ΔH/h_dyn,u；最后通过下式计算原型机压力脉动峰峰值ΔH_p：

其中，n_p、D_p、g_p分别为原型机转速、原型机转轮公称直径以及电站重力加速度，△H_p为原型机压力脉动峰峰值；根据△H_p的大小，由电站的运行规范和相关国标标准比较，判断该工况点的运行稳定性。

本发明的有益效果是:

1)在世界范围内首次提出了基于转轮叶片出口速度头和基于零环量流量的混流式水轮机尾水管压力脉动幅值特性的预测方法；

2)该方法简单易行，而且与原型水轮机的运行水头和模型水轮机的试验转速无关；

3)该方法适用于混流式水轮机整个尾水流道，包括尾水锥管、肘管和扩散段；

4)该方法能在模型水轮机的研发阶段，就能准确预估原型机的性能，并以此优化原型机的设计，可以改善混流式水轮机的稳定性。以此提高机组的寿命，延长机组的检修时间并且可以保证电网的安全，具有重大的经济和社会效益；

5)根据世界银行的统计，过去10年，水电在能源体系中的比重增加了22％，其中2/3来自中国，我国已运行的单机容量200MW以上的混流式机组有400多台，通过该方法能准确预估混流式水轮机尾水管在整个运行范围的压力脉动水平，对于指导电站的安全稳定运行具有重要的意义。

附图说明

图1为水轮机零环量流量线的定义

图2模型水轮机压力脉动试验结果

图3水轮机尾水管压力脉动归一化处理

图4水轮机尾水管稳定性的本质属性曲线

具体实施方式：

一种确定混流式水轮机原型机尾水管压力脉动幅值的方法，结合附图和实例如下所述：

(1)通过模型水轮机效率试验确定该水轮机零环量流量线

水轮机的零环量流量定义为转轮出口速度三角形流体绝对速度为法向时的流量。各零环量流量连成的线为零环量流量线，通过模型试验给出，定义为个单位转速下最高效率点连成的直线。零环量流量线定义如下图1所示。图中横坐标为单位流量Q₁₁，纵坐标为单位转速n₁₁,等高线表示水轮机效率，其定义如下时所示：

式中，Q、H、D、n分别为模型试验流量、模型试验水头、模型转轮公称直径和转轮转速。零环量流量线为每个单位转速下效率最高点对应点连成的直线。

(2)模型水轮机压力脉动试验

在覆盖原型机运行范围里进行模型水轮机的压力脉动试验，模型试验在原型机特征水头对应的单位转速下进行，下图2为模型水轮机压力脉动试验结果。图中横坐标为单位流量，纵坐标尾水管锥管97％置信度下的压力脉动峰峰值，不同形状标记的曲线表示不同的特征水头对应的单位转速。

(3)水轮机压力脉动归一化处理

将图2所示图中横坐标转换成相对流量，即Q₁₁/Q_11,0，纵坐标转换成基于转轮叶片出口速度头的压力脉动相对幅值，即ΔH/h_dyn,u。叶片出口速度头h_dyn,u，以转轮出口叶片旋转速度定义的速度水头，其表达式如下所示：

图3为转化后的该水轮机尾水管压力脉动幅值特性，该组曲线的归一化程度比较好。

(4)确定该水轮机尾水管压力脉动本质属性曲线

根据图3所得一组归一化曲线，分别在不同相对流量下Q₁₁/Q_11,0，计算压力脉动相对幅值ΔH/h_dyn,u的平均值，根据不同流量下的平均值拟合成一条曲线，该曲线即为反映该水轮机尾水管压力脉动幅值特性的本质属性曲线，图4为根据图3根据统计分析得到的理论属性曲线。

(5)原型机尾水管压力脉动幅值的确定

根据水电站水轮机的运行条件，分别得到原型水轮机的运行流量Q_p和运行水头H_p，将这个按下列公式转换成单位量：

式中，原型机转速和直径为常数，由电站提供。

根据计算的单位转速n₁₁，从图1中查取该单位转速下的零环量流量Q_11,0，计算该工况下的相对流量Q₁₁/Q_11,0。通过该相对流量，由图4查取该电站该工况下的尾水管压力脉动相对幅值ΔH/h_dyn,u。最后通过下式计算原型机压力脉动峰峰值ΔH_p。

式中ΔH/h_dyn,u为从表4中查取得到的值。通过计算的ΔH_p值，与电站的运行规范和相关国标标准比较，判断该工况点的运行稳定性。

Claims (1)

1.一种确定混流式水轮机尾水管压力脉动幅值的方法，其特征是：基于零环量流量的相对流量和基于叶片出口速度头的压力脉动相对幅值，该方法包括如下步骤：

1)通过模型水轮机效率试验确定该水轮机零环量流量线：水轮机的零环量流量定义为转轮出口速度三角形流体绝对速度为法向时的流量，各单位转速下零环量流量连成的线为零环量流量线，通过模型试验给出，定义为每个单位转速下最高效率点连成的直线，在高空化系数下，水轮机的水力效率为工况点Q₁₁和n₁₁的函数，即η＝f(Q₁₁,n₁₁)，其中Q₁₁和n₁₁的定义为：

式中，Q、H、D、n分别为模型试验流量、模型试验水头、模型转轮公称直径和转轮转速；零环量流量线为每个单位转速下效率最高点对应点连成的直线；

2)通过模型水轮机压力脉动试验确定水轮机尾水管压力脉动幅值：

在覆盖原型机运行范围里进行模型水轮机的压力脉动试验，模型试验在原型机特征水头对应的单位转速下进行，模型水轮机压力脉动试验需在电站空化系数下得到尾水管压力脉动幅值A与工况点Q₁₁及n₁₁的函数，即A＝f(Q₁₁,n₁₁)，其中，压力脉动幅值A为97％置信度下的压力脉动峰峰值△H与模型试验水头H的比值，即△H/H，△H为97％置信度下压力脉动峰峰值，H为模型试验水头，Q₁₁和n₁₁为单位流量和单位转速，表示工况点；

3)水轮机压力脉动幅值归一化处理：

将模型试验得到的压力脉动试验△H/H＝f(Q₁₁,n₁₁)进行归一化处理，单位流量通过零环量流量进行归一化，即Q₁₁/Q_11,0；压力脉动幅值通过转轮叶片出口速度头进行归一化，即ΔH/h_dyn,u，其中叶片出口速度头h_dyn,u的定义如下：

通过归一化处理，得到每个单位转速n₁₁下尾水管压力脉动相对幅值与相对流量的关系曲线，即△H/h_dyn,u＝f(Q₁₁/Q_11,0)，其中u为转轮叶片出口圆周速度，n为转轮转速，D₂为模型转轮公称直径，g为重力加速度；

4)确定该水轮机尾水管压力脉动本质属性曲线：

在不同的相对流量Q₁₁/Q_11,0下，计算不同单位转速n₁₁下△H/h_dyn,u＝f(Q₁₁/Q_11,0)的平均值，由该平均值拟合的曲线即为反映该水轮机尾水管压力脉动幅值特性的本质属性曲线，其中Q₁₁和Q_11,0分别为单位流量和零环量流量，△H和h_dyn,u分别为压力脉动峰峰值和叶片出口速度头；

5)原型机尾水管压力脉动幅值的确定：

根据水电站水轮机的运行条件，查取该工况下原型水轮机的流量Q_p和水头H_p，并通过下列公式转换成单位量：

根据计算的单位转速n₁₁，根据模型效率试验查取该单位转速下零环量流量Q_11,0，计算该工况下的相对流量Q₁₁/Q_11,0；通过该相对流量值，查取该电站该工况下的尾水管压力脉动相对幅值ΔH/h_dyn,u；最后通过下式计算原型机压力脉动峰峰值ΔH_p：

其中，n_p、D_p、g_p分别为原型机转速、原型机转轮公称直径以及电站重力加速度，△H_p为原型机压力脉动峰峰值；根据△H_p的大小，由电站的运行规范和相关国标标准比较，判断该工况点的运行稳定性。