水轮机尾水管压力脉动分析方法研究
混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述
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水轮机压力脉动的原因
水轮机压力脉动的原因
1. 水轮机压力脉动的原因之一可能是水流不稳定啊！就好比你走路，一会儿快一会儿慢，能不别扭嘛！比如水轮机进水口的水流时急时缓，这压力能不脉动嘛！
2. 转轮设计不合理也是个大问题呀！这不就像给人穿了一双不合脚的鞋，能舒服吗？要是转轮的形状不适合水流，那压力脉动肯定就来了呀！
3. 水轮机内部的杂质积累多吓人呀！就像血管里有了血栓，能不影响正常运行嘛！比如说水里有很多泥沙之类的杂质堆积在水轮机里，压力能不波动嘛！
4. 运行工况不合适也会导致压力脉动哦！这就好像让你在大太阳下跑马拉松，你能吃得消嘛！像水轮机在超出它能力范围的工况下运行，压力肯定不稳定啦！
5. 管道系统有问题可不行呀！这跟人的血管有毛病一样严重呢！要是管道有堵塞或者泄漏，那水轮机的压力能不奇怪地脉动嘛！
6. 水轮机的安装不准确也得重视呀！这就像搭积木没搭好，能牢固嘛！比如安装的时候没对正，那压力脉动就容易出现了呀！
7. 水流中的气泡也是个捣蛋鬼哟！这就像汤里有很多气泡，看着就不平静嘛！当水中有大量气泡时，水轮机压力能不脉动嘛！
8. 机组的振动也会引发压力脉动呢！这就好像地震了房子会晃一样呀！要是机组本身振动厉害，那压力脉动肯定跟着来啦！
9. 操作人员的不当操作也会惹祸呀！这不跟开车开得乱七八糟一样嘛！要是操作人员瞎搞，水轮机的压力能正常嘛！
10. 外界干扰因素也不能小瞧哇！这就像你正专心做事，旁边有人一直捣乱，能不烦嘛！像外界的震动、噪声等干扰了水轮机，压力脉动就容易出现了嘛！
我觉得呀，水轮机压力脉动的原因真的很多很复杂，我们得认真去研究和解决，不然会出大问题的！。
水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性仿真分析研究
水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性仿真分析研究摘要：随着风力发电、太阳能、潮汐能等能源的逐渐发展，对于电网负荷能力与稳定性提出了更高的要求，而抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能。
因此其核心组件水泵水轮机的安全运行成为了重中之重，而压力脉动是其运行不稳定的重要原因。
为了研究水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性，本文基于某水泵水轮机模型，利用 UG NX10.0 软件建立三维流域模型，并用 ICEM-CFD 软件对流域进行非结构化网格划分；应用 ANSYS-CFX 软件，对全流道在 10mm导叶开度下进行了多个工况点的数值模拟计算。
经分析，沿流动分布方向压力逐渐降低，活动导叶和转轮间的动静干涉对导叶后转轮前的压力脉动产生影响，峰值出现在9fn、18fn、27fn等处，与叶片数一致。
关键词：水泵水轮机，压力脉动。
1 前言与其他储能方式相比，抽水蓄能是当今世界上技术最成熟、最经济的大规模储存电能方式。
作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能，从而起到提高供电质量、保证供电安全、降低污染等功能。
目前西方发达国家抽水蓄能电站建设较多，总装机比重在 3%-10%，我国仅为 2%左右[1,2]。
水泵水轮机是抽水蓄能机组的核心设备，其具有适用性强、性价比高等特点。
作为可以双向运行的水力机组，转轮正反向运转分别进行水泵工况及水轮机工况，其未来发展方向为高水头、大容量、高转速化，但随之伴随着不稳定，压力流量脉动、汽蚀等问题严重，故需要妥善分析解决[3]。
水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心，其稳定运行直接关系着机组寿命和电站安全。
而由机组内部不稳定流动造成的水力振动，是机组不稳定运行的主要因素和内在原因。
诸多电站不稳定运行的实例（如俄罗斯撒杨水电站和岩滩水电站），充分说明了水力振动对机组安全运行的重要性。
36 尾水管压力脉动浅析
尾水管压力脉动浅析(美) Falvey H T[摘要] 尾水管是水轮机的组成部分，它的性能会影响机组的效率。
混流式水轮机尾水管中的不稳定流动，即所谓的压力脉动，会引起功率的摆动和振动。
了解这种脉动有助于对其进行有效地预防。
[关键词] 混流式水轮机；尾水管；压力脉动混流式水轮机过流部分由蜗壳、固定导叶、导叶、转轮和尾水管组成。
图l为这些部件的组合图。
蜗壳、固定导叶和导叶引导水流以最小的能量损失进入转轮。
导叶控制通过水轮机的流量。
尾水管呈扩散形，用来增加水轮机的净水头，从而获得更多的能量。
图l 由蜗壳、固定导叶、导叶、转轮和尾水管组成的混流式水轮机装置(尾水管的性能会影响机组的综合效率)水轮机的功率等于转轮转换的动量矩。
在最高效率点，离开转轮的动量矩理论上应等于零，即水流流出转轮进入尾水管时是无旋的。
但实际上，在最高效率点，水流具有小的环量，然而这种小的环量引起的转轮效率损失比由尾水管效率增加的补偿要大。
部分负荷时，进入尾水管的水流和转轮的旋转方向相同；过负荷时，水流的旋转方向则和转轮相反。
如果进入尾水管的环量过大，就会发展成不稳定的尾水管压力脉动。
尾水管压力脉动在部分负荷和过负荷工况都能发生，它会引起压力脉动，从而导致功率摆动、噪声、压力钢管共振和振动。
文中，作者试图提供一篇有关尾水管压力脉动的近代情况综述。
1969年前，对尾水管压力脉动仅知道两点：第一，压力脉动是由尾水管中螺旋形涡带引起的；第二，压力脉动预期的频率和有关现象可以用一个公式来计算。
这个公式是由AC(Allis-Chalmers)公司的试验工程师Rheingans W I提出的。
cnf (1) 式中f——压力脉动的频率，Hz；n——水轮机转速，r/s；c——3．2～4.0之间的某一数值。
1969年，密苏里-哥伦比亚大学教授Cassidy J J，从事一项丹佛垦务局的福特基金项目，旨在加深对尾水管压力脉动的认识。
他将尾水管压力脉动现象、频率和振幅与水轮机流量和几何形状参数联系起来，试验是利用空气作为介质进行的。
三峡水电厂左岸ALSTOM机组尾水管压力脉动分析
ｏ ｅ ａｉ ｇ ｏ ｎ ｔ ｂ ｅ ｃ ｎ ｉ ｏ ａ ｅ ｄ ｃ ｍｐ ｓ ｄ ｖ ｒ ｌ ｉ ｍ ｉ ｄ ｔ ． ｉ ｎ ｉ ｎ ｅ ｔ ｎ ｉ ｎ ｐ ｒ ｔ ｎ ｕ ｓ ｌ ｏ ｄ ｔ ｎ ｃ ｎ ｂ ｅ ｏ ｏ ｅ ｅ ｙ ｗｅｌ ｎ ｌ ｔ ｉ ｄ ｍｅ ｓｏ ｘ ｅ ｓｏ ｎ ａ ｉ ｉ ｅ ｍｅ
［ 要］ 对连续小波变换的分析研究， 摘 了解到非平稳信号经过连续小波变换后 ， 能够有效地将水轮机非稳态
工况下的振动信号很好地分解在有限的时间一尺度范围内而保持信号的信息完整。并应用连续小波变换方法 分析了三峡水电厂机组整个升负荷运行中尾水锥管水压脉动情况， 准确地获得机组的振动区间以及振动的频
１ 前言
近年来 ， 许多技术先进 的大型水电机组投入运行 ，
准确地提取分析所需的各种特征值是故障诊断中的一
项重 要 任务 。
总体情况 良好。由于机组 的容量和尺寸不断加大，机 组的相对刚度下降 ，出现 了一些影响机组正常、稳定 运行 的问题。影响水电机组运行稳定 的因素众多且复 杂 ，一些故障的机理不清楚。许多水 电机组在电网中 担任调频、调峰任务，机组起停频繁 ，因而在机组起 动调试 、机组运行状态监测以及故障诊断 中许多振动 信号为非稳态信号。例如 ，机组起动与停机 ，负荷调
节 、机组甩负荷以及水泵 一 水轮机相互切换或水泵工 况断电等 ，这类机组状态或运行工况的改变 ， 均将引 起机组各运行参数 （ 如电气 、机械 、水力 、 力学以及
某水电厂1号混流式水轮机尾水管压力脉动试验研究
某水电厂1号混流式水轮机尾水管压力脉动试验研究
曹斌;姚泽;李玺
【期刊名称】《广东水利水电》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】尾水管压力脉动是混流式水轮机运行稳定性的重要评价指标,研究尾水管压力脉动和机组振动稳定性对指导机组的安全运行、技术改造及科学调度具有十分重要的意义。
对某水电厂1号机组进行了变负荷稳定性试验,分析了各工况下尾水管压力脉动、顶盖振动和水导轴承摆度信号之间的相关性。
试验结果表明在部分负荷区域,尾水管压力脉动与顶盖振动及水导摆度信号高度相干,尾水管内低频涡带是引起机组振动的关键因素,对顶盖振动和水导摆度都有重要影响。
【总页数】5页(P74-78)
【作者】曹斌;姚泽;李玺
【作者单位】广东云舜综合能源科技有限公司广州分公司;南方电网电力科技股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TK733.1
【相关文献】
1.混流式水轮机尾水管压力脉动试验分析
2.混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述
3.混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动试验研究
4.非设计工况下混流式水轮机
尾水管压力脉动研究5.试验水头和空化系数对混流式水轮机尾水管压力脉动影响的试验研究
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混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动试验研究
图 5 涡带频率与水头关系曲线
管强涡带区压力脉动与大轴摆度、顶盖振动和机架振动等机组的各个动力学参数均出现峰值，且具
有相同的主频，其主频与尾水管涡带频率一
致，说明此振动峰值并非由尾水管特殊压力脉
动［10］引起，而由涡带工况导致。在强涡带区负
荷以外的部分负荷中，虽然尾水管仍以涡带频
率主频，而大轴摆度、机架振动主频则为转
振动+X
振动+X
振动+X
1.250 1.250 0.017 0.367 0.333 0.300 0.300 1.250 1.250 1.250
1.250 1.250 0.017 2.500 0.333 2.500 0.300 2.500 2.500 2.500
1.250 0.017 0.017 1.250 0.333 0.300 0.300 0.017 1.250 1.250
收稿日期：2009-06-25 作者简介：张飞（1983-），山东枣庄人，工程师，主要从事水力机械现场测试研究。E-mail：spiritgiant@
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次，250~500MW 每 20MW 调一次，大负荷区每 10MW 调整一次，依次调整到允许的最大负荷工况。 数据采集方式：降负荷过程中，连续采集数据，整个时间长度 10min 左右；升负荷时负荷调节后，
文献［13］假设尾水管内流动为定常理想流动，忽略液体黏性，理论计算得出涡带的频率为
f
=
1 60
⋅
n 4
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1
+
C
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+
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+
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混流式水轮机尾水管涡带的数值模拟及压力脉动预测
混流式水轮机尾水管涡带的数值模拟及压力脉动预测随着混流式水轮机的单机容量和结构尺寸朝着巨型化发展,其在稳定运行性方面出现的问题越来越突出。
混流式水轮机在偏离设计工况特别是在部分负荷下运行时,转轮出口的旋流会在尾水管中产生螺旋状涡带,该涡带引起的压力脉动是引起水轮机水力不稳定的最主要原因。
到目前为止评价水轮机水力稳定性的主要手段仍是进行模型压力脉动试验,在设计阶段还不能有效预测控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动。
如何在设计阶段能有效控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动,变事后评估为设计过程中控制是提高水轮机的水力稳定性的有效途径。
因此有必要借助数值模拟方法,研究混流式水轮机尾水管流道的几何参数、运行工况与尾水管涡带产生的关系,探索其尾水管涡带压力脉动的预测计算方法,进一步研究用于在混流式水轮机设计过程中优化流道设计,及指导电站运行过程中减轻尾水管涡带影响和扩大稳定运行工况范围。
本文结合某高水头水电站混流式水轮机转轮增容改造过程中的转轮设计方案分析的需求,在分析前人关于混流式水轮机的流场、尾水管涡带以及尾水管涡带引起的压力脉动的机理研究的基础上,采用水轮机全流道非定常湍流数值模拟方法模拟典型工况下混流式水轮机内部流场。
基于三维全流道非定常湍流模拟来探索尾水管涡带的可视化、预测尾水管涡带的频率及尾水管涡带引起的低频压力脉动的预测分析。
探讨尾水管压力脉动中转轮流出的旋回水流与尾水管的相互干涉作用,以及尾水管涡带形成与转轮叶片几何形状及运行工况的关系。
根据尾水管中非定常湍流模拟计算结果提取压力的时域信号,通过FFT进行频域分析来分析尾水管中的典型工况下压力脉动特点。
本文探索通过基于混流式水轮机进行全流道定常和非定常湍流数值模拟来预测分析尾水管涡带及其引起的压力脉动,能够较真实地反映不同工况下尾水管涡带及其引起的压力脉动的特征,为在水力设计阶段能有效预测所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动奠定一定理论基础和尽可能扩大无涡区的运行范围提供一条基本可行的技术途径。
混流式水轮机尾水管压力脉动研究
混流式水轮机尾水管压力脉动研究摘要：尾水管压力脉动是混流式水轮机运行过程中非常重要的参考性指标，在不同负荷下，尾水管压力脉动和水轮机振动稳定性有着一定的相关性。
因此，本文针对混流式水轮机尾水管压力脉动进行深入研究，在简单了解尾水管压力脉动的形成机理后，通过实际的试验入手，分析其特性，并且结合实际案例进行探讨。
关键词：混流式水轮机；尾水管；压力脉动；涡带状态引言：如果混流式水轮机尾水管压力脉动存在问题，那么会对尾水涡带状态造成影响，因此，必须要对不同水头段混流式模型水轮机的尾水管压力脉动进行分析。
基于不同相对流量区域内的压力脉动数据，对比原型压力脉动数据，分析变化情况，就能够准确识别尾水管涡带状态，让水轮机的运行更加稳定，提高工作效率。
一、尾水管压力脉动的形成机理混流式水轮机在水电站中，具有重要的任务，一旦运行不稳定，那么就会对水电站的运行造成影响。
混流式水轮机尾水管压力脉动在实际发展过程中，可以分为常规压力脉动、异常压力脉动以及其他压力脉动。
本文以常规压力脉动为主要分析对象，根据得到负荷情况，可以分为小负荷、中负荷、最优工况以及超大负荷这四个方面。
而尾水管涡带是导致压力脉动产生的主要方式，因此先了解尾水管涡带的形成机理，只有揭示尾水管涡带原理，才能够更好的了解压力脉动的形成机理。
尾水管涡带是混流式水轮机在实际运作过程中产生的一种流动现象，只要水轮机运行就必然会产生尾水管涡带。
在水流状态非常复杂的情况下，尾水管涡带并不稳定，还会出现交替消失的情况。
当水轮机的运行偏离最优工况时，转轮进口水流就会形成压力脉动，主要可以从三个方面进行分析，分别为：叶片正面水冲击、叶片背面脱流、此生水冲击。
在实际发展过程中，需要对压力脉动的幅值、频率、相位，主要特征体则体现在幅值特性和频率特性。
从现阶段混流式水轮机尾水管压力脉动试验中可以发现，一般情况下，在测量压力脉动的过程中，主要针对的是压力脉动的相对值，以此作为判断水轮机稳定性的重要依据，但是随着巨型混流式水轮机数量的增加，压力脉动问题日益突出，传统的试验评价方式已经无法满足判断需求，还需要结合实际情况，具体判断混流式水轮机尾水管压力脉动情况，从而保证水轮机运行的稳定性。
探讨水轮机尾水管内部的水压力脉动
２ ． Ｉ ． ６ 螺旋涡带对转轮 、 蜗 壳和钢管内水流的影 响 尾水管内部的水压力脉动会对通过转 轮的水流、 蜗 壳 的 水 流 和 压 力钢率与涡带旋 转的频率相 Ｉ 百 ｌ ＝ ， 还 会 引发 钢 管剧 烈震 动 。 在 工 况 点 远离 无 旋 出流 线 时 ， 由于 在 泄 水 锥 部 位， 涡带偏心距增人， 导 致 临 近 叶 道 内水 流 量 减 小 ， 转 轮 中和 住 转 轮 前 的水 压 力 脉 动 会 增大 。 ２ ． ２ 超 负荷和满负荷 ２ ． ２ ． １ 涡带的表现。 涡带征 超负荷 和 满负荷以管状 的形式 出现 ， 涡带的频率远远大干转轮的频率 ， 有时甚至是 转轮频率的６ 倍， 超负荷 和满 仍荷 Ｆ 的涡带比部分符合 Ｆ 的涡 带细得 多， 它不会像螺旋 涡带一样 给尾 水管带来很严重的影响和冲击。２ ． ２ ． ２ 空蚀特 。 超 负荷下 的空蚀 特性与一般情况有很 人不同， 超负荷下， 水轮机效率下 降的临界 空蚀 系 数比额定工况时要大， 转轮叶片的初生空蚀系数比额定 工况时也要大， 但 是 在 超 负荷 现 象 持 续 加 垂时 ， 初生 空蚀 系 数 却 小 于 临 界空 蚀 系数 。 在 较大的牢蚀系数时， 虽 然 看 小 到 转轮 叶片 的 空蚀 现 象 ， 但 是 水 轮 机 的效 率 已经 在 下 降 了， 此 时 降 低 空 蚀 系数 ， 转 轮 叶片 会 慢 慢 出 现 空 蚀 现 象 ， 在此基础上继续降低空蚀 系数， 转轮叶片的空蚀现象也 会更加严重。 如果超负荷比例继续 增大 ， 那么在最小可能空蚀系数时， 转轮 叶片也 有 可能 不 产生 空蚀 现 象 。 ３ ． 消 除尾水管 涡带的 措施 ３ ． １ 控制涡带偏心距 离 可以通 过加入同轴扩散管来达 到控制 涡 带偏心距离的目的， 但是这种方法在现实中采用的 多。 ３ ． ２ 引入适 当阻尼 引入 阻尼可以破坏涡带运动 ， 起到消除尾水管 涡带的作用， 引入 阻尼最常用的方法就是补气， 气泡具 有阻尼作用， 但 是补 气时要严格控制补气的量 ， 将额 定流量的２ ％的气量 充进 尾水管， 会起到消除 振动的作用， 将额定 流量的１ ％的气量充进尾 水管， 会 起到 减 轻 振 动 的 作用 ， 但 是 补 气 量太 小时 ， 反而 会 增 加 振 动 ， 因此 ， 补 气的 量 定要 适 当。 要 注意的是， 气 泡 的 阻 尼 作用 不 仅 与相对 容 积有 关 还 与气 泡 直 径 和绝 对 容积 有 关 。 ３ ． ３ 改变水流的运 动状况 可以通过在尾水管内郜 设置十字补气架 或 是 三 角补 气架 来 到 改变 水 流 运 动 状 况 的 目的 ， 设 置十 字 补 气 架 和 三 角 补气架一 般和引入阻尼 同时进行， 还可以在尾 水管直锥 段加 阻水漏 或 加筋板 ， 这些附加物虽然可 以消除或减 小涡带， 但会增加噪声 ， 还会 降 低结构强度。以柘林电厂２ 号机水轮机 为例， 它是一台４ 万５ 机 组， 空载状 态下机组２ ． ８ ７ Ｙ 时机组振 动最大 ， 带负荷机组Ｉ ． ３ 万时机组振 动最大 ， 这 时 通 过 十 字 补 气架 补 气 能 极 好 的减 小 压 力脉 动。 ３ ． ４ 改进转轮的叶型设计 转轮 的叶型设计会直接 影响到尾水管 的 进 ｎ流 态 ，因此 ， 在 进行转轮 的设 计时， 不 仅 要 使 转 轮 有 较 高 的 速 率， 还 要 提 高 转 轮 的稳 定性 。 ４ ． 结束语 水 轮 机 尾水 管 内部 的 水压 力脉 动 是 造 成 水 轮 机 机 组 发 电效 益 和 稳 定运行的重要因素之 ・ ， 通过本文的研究发现 ， 尾水管涡带的主要涡量 来源于水轮机泄 水锥和转轮上冠 ， 这对尾水管内部的水压力脉动的预 测和控制起着很重要的作用。 Ｉ 司时， 水轮机尾 水管肘管之后的水压力脉 动与尾水管 自 身的形状也有很大关系， 水轮机尾水管内部在不 同位置、 不 同工 况 下 的 水 压 力 脉 动 在 时 域 及 频 域 上 的 变 化 规 律 ， 对 涡 带 的形 成
混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述
收稿日期：２００６－０９－１５基金项目：武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金（２００４Ｂ０１１）作者简介：郑源（１９６４—），男，山东日照人，教授，博士生导师，主要从事流体机械和水利水电工程研究．水力发电所关心的三大问题是效率、稳定性和空化。
而目前，水轮机的效率已经达到９０％以上，抗空蚀的性能也得到了很大的提高。
但是，随着水轮机水头和容量的增加，其运行的不稳定性也逐渐显现出来，严重的机组振动不仅影响了电站正常的生产，甚至对厂房的安全构成了威胁，因此越来越受到人们的关注。
而解决水力机组稳定性问题的关键就是要把目光放在产生振动的主要原因———尾水管压力脉动上。
１主要的研究方法尾水管压力脉动的研究，主要有４种方法：理论分析；模型实验；数值模拟；真机试验。
理论分析是基于流体力学的基本方程式和丰富的实验数据以及数学推导，运用逻辑判断分析脉动产生的原因和解决方法；模型实验是通过水轮机模型和多功能实验台和各种仪器，对水轮机整个流动状态进行模型实验并结合成像系统对脉动过程中的流动进行摄像观测；数值模拟是借助计算流体力学软件对尾水管中的流动进行模拟，通过计算机的模拟结合实际观测来观察计算的奇异区域是不是也对应实际的振动区域，由此可以在设计时改进转轮和流道的设计、减小或消除振动；真机试验是通过真机上的测试，发现真机的振动特性。
而减小振动的措施也要在真文章编号：０５５９－９３４２（２００７）０２－００６６－０４混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述郑源，汪宝罗，屈波（河海大学水利水电工程学院，江苏南京２１００９８）关键词：混流式水轮机；尾水管；压力脉动；涡带；综述摘要：混流式水轮机尾水管压力脉动是造成机组运行不稳定的重要原因，严重的脉动甚至会威胁厂房的安全，而尾水管涡带是产生压力脉动的首要原因。
所以，混流式水轮机尾水管涡带的研究对解决压力脉动有着十分重要的意义。
为此，就混流式水轮机尾水管压力脉动的研究，即从理论研究、模型实验、数值模拟和真机试验４个方面。
模型水轮机尾水管压力脉动试验研究
２０ ０ ７年 ９月
Ｓ ｐ． ０ ７ ｅ ２０
文章编号 ：６３ １９ ２ ０ ）５０ ５ —３ １７ —５ ｘ（０ ７０ —０ ３０
模 型 水 轮 机 尾 水 管压 力脉 动 试 验 研 究
李庆 刚， 邓万权
（ 西华大学能源 与环境学 院， ｔｌ ＩＪＩ成都 ６ ０ ３ ） ￣ １０ ９
摘
要： 在水轮机模 型试验 台上进行水轮机尾水管压力脉 动试 验研究 ， 通过 压力脉动试 验工况 的选择 、 点的 测
布置 、 信号采样频率及采样 时问的确定 ， 到了在水 轮机模 型试验 台上进 行水 轮尾水 管压 力脉动试 验 的方 法。试 得 验结 果表 明 ， 所选择 的工况合理 ， 测点 布置科学 ， 信号采样频率及采 样时间确定合理可行 。
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第 ２ 卷第 ５ ６ 期
Ｖｌ ．６． ０ ２ Ｎｏ． 】 ５
西 华 大 学 学 报 ・ 自 然 科 学 版
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位置的 Ｘ、 Ｙ方 向布置 了两个 测点 （ 图 ２ 。 见 ）
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３ 压 力脉 动 实验 采 样 时 间和 采样 频 率 的确 定
该 水轮 机尾水 管压 力脉 动实验 系统 采用 计算 机 自动采 集 与处理数 据 ， 到 各 工 况压 力 脉 动 的 时域 得 脉 冲数 据及 波形 图 ， 用 快 速 傅立 叶软 件 分 析得 到 并 压力 脉动 的频 域波 形 图 ， 中 ， 其 压力 脉动 的采 样时 间
机 及 两 台 Ｈ＝３ ０＝１１ ０ｍ３ ｈ的水 泵 组 ） ４ｍ、 ６ ／ 、 ：５ ０的 电磁 流 量 计 、 气 溶 解 器 、 ＝５ ０和 ＝ ０ 空 ０
混流式水轮机尾水管压力脉动特征信息探究
混流式水轮机尾水管压力脉动特征信息探究近年来,随着混流式水轮机装机尺寸与单机容量逐渐增大,水轮机的稳定性问题日益突出。
其中尾水管压力脉动是造成机组运行不稳定的主要原因之一,它会诱发机械振动,使转轮叶片产生裂纹,影响机组的稳定运行。
为了研究尾水管内压力脉动的特性情况,本文从水轮机尾水管压力脉动试验所得数据出发,研究不同水头段混流式水轮机在不同相对流量区域内的尾水管压力脉动特性以及原型机尾水管压力脉动在不同出力下的脉动特性,并对比分析原模型水轮机压力脉动变化情况,最后提出一种提取尾水管涡带特征的新方法,为水轮机安全稳定运行提供了一定的参考。
主要研究内容如下:探究不同流量区域内混流式模型水轮机尾水管幅值特性和频域特性变化规律及形成原因。
在较小的相对流量区域附近,由于偏离最优工况区较远,受转轮进口水流冲击、次生水冲击等的影响,其压力脉动相对幅值变化范围较大,其最大幅值大体与涡带压力脉动最大幅值相当,并且其频率成分复杂,频带较宽。
在中间相对流量区域附近,该流量区为涡带工况区,其频率成分基本上在0.2～0.5倍的转频附近,同时发现在此流量区域内频率幅值最大的流量区域大致在0.7～0.8这个相对流量区间附近,其压力脉动相对幅值的变化整体上先增大后减小。
相对流量区域0.9～1.1附近,整体上在此区间内相对压力脉动幅值达到最小值,此区间内,尾水管中的流动大致是轴向的,流动阻力及离心力都非常小,无涡带形成,压力脉动波动小,频谱类似于白噪声信号的频谱。
相对流量区域1.1～1.3附近,此相对流量区间内频率成分也相对复杂,有点类似小开度区间,其相对频率f1/fn既有涡带频率,也有多倍转频大小的频率成分,主要与直涡带的强度有关,直涡带的频率幅值较大的话,会出现一个显著的增幅。
同时由于偏离最优工况,存在转轮进口水流负冲角的影响,由于其流量区域较窄且偏离最优流量较小,其受到的影响相对要小,其相对压力脉动幅值相较小开度要小很多。
原型水轮机尾水管压力脉动测试分析
水 轮机尾 水管 压力 脉动对 机 组安全 运 行危 害甚 大， 其危 害程 度 主要 表 现在 两个 方面 ： 一是 对机 组 运
外水电机组新机投产及老机改造 中对尾水管压力脉 水管压力脉动测试分析可参照合 同文件规定和机组 投产后的实际情况 ， 完全 由业主掌握。 一般可选取业
主对 尾水 管压 力脉 动指标 有 疑问 的机组 或结 合投 产
１ ． ２ 确 定试 验水 头
单位及制造厂家均对机组投运后 的水轮机尾水管压 后 的实 际运行情 况 进行 。 力脉动指标高度关注。现场原型水轮机尾水管压力 脉动测试分析涉及到测试设备 、测试方法 、 测点布
干 问题进行 一 简要 阐述 ， 供 参考 。
议其中都必须包含额定水头。
１ ． ３ 确 定试 验方 法
１ 水轮机尾水管压 力脉动测试 的策划和 准备
１ ． １ 确定 试 验机组
水 轮机 尾水 管压力 脉动 测试 方法 应按 合 同要求
进行 ，一般采用经权威计量机构检验的专用试验仪
器和传感器配合的电测法进行。水轮机尾水管压力 况下 ，水轮机尾水管压力脉动测试分析可选一台机 脉动有可能存在较高频率的压力脉动 ，如三峡左岸 组进行。但考虑到受制造工艺 、 制造质量 的影响， 即 电站 １ ０ 号机组尾水管压力脉动即含有 ４ ． ５ ６ 倍频成 使同型号的机组其水轮机尾水管压力脉动也可能存 份 ［ ２ １ ， 因此 ， 应 特别 注 意试 验 仪 器频 率 范 围应 覆 盖被 在较 大差 异 ，国内水 电厂也有 选择 对投 运 的全 部水 测信号的有用频率范围。 轮机进行尾水管压力脉动测试分析 的方式。如湖南 省五强溪水电厂在发电初期 ，即对全部 ５ 台机组开 展了水轮机尾水管压力脉动测试分析评价工作。从
水轮机尾水管的研究状况综述
云
南的 棉
花 山 电站就 是一 例
2
对 尾 水 管中流态的研 究
为 了 设 计 良好 的转 轮
、
尾 水管
、
研 究 尾 水 管 的水 力性能 和 压力脉 动规律
, ,
,
都必 须 弄
清尾 水管 的 流态
。
目前
、
,
尾水 管 中的 流 态 还 难 以 用计算 的方法 来摸拟
、
主要 是通 过测量
的 方法来 了解 流态
,
。
曲线 的称 为 喇叭管或 钟 型尾水 管
4 A
、
大 中 型 电站使 用较 多的是 弯肘 型尾 水管
4 C)
,
主要 是苏 联研 制的 标准 型 小 型 电站除 采用弯 肘 型 以 外
、
、 ( 4 H ,
4 E
、
Hale Waihona Puke 这些 尾水 管具有 良好 的性 能
。
还 采用 直 锥
。
型 率
、
卧 式机 组还 使用 弯 型 尾 水 管 稳定性
,
是 否 可 以拓宽
。
、
其 运 用范 围呢 ? 资料 〔幻对 喇叭型 尾水 管运 用于 大中型 电站进 行 了研 究 认 为是 可行的
( 3 ) 非标 准型尾 水管 的研 究 根 据 电站 的具体 要求
,
开 发 新 型的 尾水管
1 资料 〔2
〕
对 高原 卧式 机组设 计 了 几种 非标准 型 的尾水 管 异
, ,
”
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kd o 留的
。
另 一 种 是 以 德 国的拉 贝
,
日本 的细 井
丰等提 出 的
混流式水轮机尾水管内部流动数值模拟研究
混流式水轮机尾水管内部流动数值模拟研究机组在部分负荷工况下,尾水管内部的偏心涡带产生的不稳定的压力脉动是导致机组运行时出现振动的重要因素,如何有效的处理尾水管内部偏心涡带导致的机组不稳定运行是如今流体机械学科一个重要的研究方向。
因此,需要在一定程度上需要对尾水管内部偏心涡带采取有效的改善措施方案。
查阅大量参考文献并基于前研究学者的成果分析,本论文主要采用CFX软件对某电站机组尾水管内部流动在部分负荷工况下进行定常数值模拟以及非定常数值模拟研究分析,具体进行了以下的工作:1)以某电站水轮机为研究对象,在数值模拟研究中采用3种不同的负荷工况,分别是部分负荷工况、接近最优负荷工况以及大流量工况。
通过CFD结果文件的处理,分别提取三个不同流量工况下的压力分布图、速度矢量图、涡带图以及尾水管流线图。
将设立在尾水管内部的6个监测点进行数据处理,得到相对于的压力脉动时域图和频域图。
依据水轮机组定常数值模拟计算结果能够得到:水轮机组在部分负荷工况下,尾水管内部水流出现了偏心从而在尾水管内部形成了偏心旋转涡带,且尾水管内部水流流线不稳定。
机组在接近最优工况时,尾水管内部有条很细像圆锥体状的涡带,且尾水管内部水流流线很均匀、很稳定。
机组在大流量工况运行时,尾水管内部水流呈现柱状涡。
2)对混流式水轮机尾水管内部流动做出改善,提出以下三种不同的改善方案:加长泄水锥40mm、50mm、60mm(12.31%、15.38%、18.46%泄水锥加长度)、加入轴向干扰水流(1%、2%、3%、4%、5%补水量)、加长泄水锥的同时补入轴向干扰水流。
模拟这三种方案对尾水管内部流动的影响。
模拟得出泄水锥的加长并没有改变尾水管压力脉动频率,但降低了尾水管的压力幅值。
模拟研究发现加长泄水锥15.38%时,对降低尾水管的涡带脉动最为明显,达到提高机组稳定性的作用。
此外,对机组展开了不同补水量的定常以及非定常模拟研究计算,研究表明补入3%的轴向干扰水流能够较好的改善尾水管内部水流的流态。
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水利水电技术 第 ３ ９卷 ２ ０ ０ ８年第 ３期
水 轮 机尾 水 管压 力 脉 动 分 析 方 法研 究
赵 林 明 ，徐 陈辉 ，王利 英 ，刘 占京２
（．河北Ｙ程大学，河北 邯郸 ０ ６２ ；２ １ － － ５０ １ ．石家庄混合蓄能水电厂，河北 石家庄 ００ ２ ） ５２ ４
摘
要 ：为掌握石家庄混合蓄能水电厂某水轮机尾水管的压力脉动特性 ，对水轮机尾水管压力脉动进
行 了现场测试，获得 了多个工况下的测试数据。在测试数据的基础上。通过相空间重构理论。对尾水
管压 力脉 动 信 号序 列进行 相 空 间重构 ，根 据确 定嵌 入 空 间维数 大 小的嵌 入 定理 。保证 相 空 间容 纳原 状
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态空间吸引子的特征 ，选择恰 ３的嵌入 维数 ｍ，计算其分形关联维数 ，再现动力学特性。研 究结果表 － ＂ 明 ，基 于分 形 关联 维的水轮 机 尾 水管 压力脉 动 状 态分析 方 法是 可行 的 。
关 键词 ：分形 关联 维 ；水轮 机 ；尾 水 管压 力脉 动
中图分类号 ：Ｔ １ １３ ；Ｔ ７ ３５ ２ ２ Ｖ ３．３ Ｋ ３． （２ ） 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１０ －８０ ２ ０ ） ３０ ５ － ３ ００ ０ ６ （ ０ ８ ０ ・０７ ０