王建新，何旭輝，袁世鐸

（五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 沅陵 419642）

1 前言

五強(qiáng)溪水電站位于沅水干流中下游，湖南沅陵縣境內(nèi)，上游距沅陵縣城73 km，下游距常德市130 km。電站以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)等綜合效益的樞紐工程。五強(qiáng)溪電站現(xiàn)裝機(jī)1 200 MW(5×240 MW)，保證出力262.7 MW，多年平均發(fā)電量53.29億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 441 h，水量利用率80.94%。五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程為岸邊式廠房，總裝機(jī)500 MW，裝機(jī)2臺(tái)，年利用小時(shí)數(shù)為1 117 h，多年平均年發(fā)電量為5.583億kW·h。

本次水輪機(jī)模型復(fù)核試驗(yàn)在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室TP3試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，本次模型試驗(yàn)的目的是：通過(guò)模型復(fù)核試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備廠家提出的模型試驗(yàn)報(bào)告成果的真實(shí)性，試驗(yàn)內(nèi)容包括模型的各種特性的抽查復(fù)核和對(duì)比，重點(diǎn)是水力穩(wěn)定性。通過(guò)開展水輪機(jī)模型同臺(tái)復(fù)核試驗(yàn)，對(duì)比模型試驗(yàn)資料預(yù)測(cè)原型機(jī)組的穩(wěn)定性，掌握水輪機(jī)組主要水力性能及其穩(wěn)定性狀況，合理劃分機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。五強(qiáng)溪電站擴(kuò)機(jī)水輪機(jī)模型復(fù)核試驗(yàn)主要包括：

對(duì)復(fù)核試驗(yàn)時(shí)所采用的儀器進(jìn)行標(biāo)定；

出力及效率試驗(yàn)；

空化試驗(yàn)；

壓力脈動(dòng)試驗(yàn)；

葉道渦和卡門渦觀察試驗(yàn)；

非遺轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。

2 五強(qiáng)溪電站擴(kuò)機(jī)水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

2.1 五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)機(jī)組運(yùn)行條件

上游校核洪水位(P=0.1%） 114.53 m

上游設(shè)計(jì)洪水位(P=0.5%) 111.14 m

上游正常蓄水位 108.00 m

上游死水位 90.00 m

下游設(shè)計(jì)洪水位(P=0.5%) 74.61 m

下游校核洪水位(P=0.1%) 76.25 m

最大水頭 58.90 m

最小水頭 33.70 m

加權(quán)平均水頭 46.73 m

額定水頭 43.50 m

多年平均水溫 18.00 ℃

多年平均氣溫 16.70 ℃

水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速 68.2 r/min

水輪機(jī)安裝高程 49.00 m

水輪機(jī)額定出力 255.1 MW

電站所在地重力加速度 9.792 145 m/s2

2.2 五強(qiáng)溪電站水輪機(jī)模型復(fù)核試驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表

表1 五強(qiáng)溪電站水輪機(jī)模型復(fù)核試驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表

2.3 模型水輪機(jī)

2.3.1 模型水輪機(jī)概述

設(shè)備廠家針對(duì)湖南五強(qiáng)溪電站擴(kuò)機(jī)工程開發(fā)的模型水輪機(jī)（型號(hào)為A1563）包括蝸殼、座環(huán)、頂蓋、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、底環(huán)和尾水管等部件，其材料為金屬材料，其中尾水錐管采用了透明有機(jī)玻璃制造，可以對(duì)轉(zhuǎn)輪出口區(qū)及尾水錐管區(qū)的流態(tài)進(jìn)行直接觀察。模型從蝸殼進(jìn)口處延伸至尾水管末端與水輪機(jī)真機(jī)相似。

2.3.2 模型水輪機(jī)流道尺寸

表2 模型水輪機(jī)流道尺寸表

2.3.3 原模型水輪機(jī)主要控制尺寸

表3 原模型水輪機(jī)主要控制尺寸表

3 復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果

3.1 出力及效率試驗(yàn)

3.1.1 模型最優(yōu)效率試驗(yàn)

試驗(yàn)水頭：H≥25 m；通過(guò)調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉開度和水輪機(jī)模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行水輪機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)的復(fù)核試驗(yàn)，最優(yōu)效率點(diǎn)復(fù)核試驗(yàn)在能量工況下進(jìn)行。

試驗(yàn)水頭為25 m，模型轉(zhuǎn)輪直徑D2m=0.374 37 m，模型試驗(yàn)水溫在12℃～30℃之間。因此，試驗(yàn)水溫下水的最大運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)：

因此，模型雷諾數(shù)ReuM*為：

原型水輪機(jī)效率按兩步法換算，最優(yōu)效率點(diǎn)復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果見表4。表中給出的復(fù)核試驗(yàn)?zāi)Ｐ托手稻鶠閾Q算到標(biāo)準(zhǔn)雷諾數(shù)下的值，原型效率均采用兩步法換算，后表同。報(bào)告中兩步法換算用D2，單位參數(shù)換算用D1。

表4 最優(yōu)效率點(diǎn)復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 水輪機(jī)加權(quán)因子點(diǎn)效率試驗(yàn)

試驗(yàn)水頭：H≥25 m，空化系數(shù)：σ=σp；電站空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線；水輪機(jī)加權(quán)因子的效率復(fù)核試驗(yàn)在電站空化系數(shù)下進(jìn)行，在每一代表電站運(yùn)行特征水頭下通過(guò)調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉開度復(fù)核各水輪機(jī)出力下的效率。

水輪機(jī)加權(quán)因子的效率投標(biāo)值復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果見表5，因數(shù)據(jù)較多，本文僅選取33.7 m、43.5 m、58.9 m 3個(gè)特征水頭復(fù)核試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表5 水輪機(jī)加權(quán)因子的效率復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)計(jì)算水輪機(jī)工況加權(quán)平均效率，與設(shè)備廠家試驗(yàn)數(shù)值的比較見表6。

表6 水輪機(jī)加權(quán)平均效率與設(shè)備廠家試驗(yàn)數(shù)值比較

3.1.3 水輪機(jī)出力試驗(yàn)

試驗(yàn)水頭：H≥25 m；空化系數(shù)：σ=σp；電站空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線；

在額定轉(zhuǎn)速條件下，對(duì)保證原型水輪機(jī)出力的設(shè)備廠家試驗(yàn)值進(jìn)行復(fù)核，數(shù)據(jù)結(jié)果見表7。

表7 水輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下，保證原型水輪機(jī)出力復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)核試驗(yàn)與設(shè)備廠家試驗(yàn)結(jié)果吻合，最優(yōu)點(diǎn)效率與加權(quán)平均效率復(fù)核實(shí)驗(yàn)結(jié)果均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 空化試驗(yàn)

進(jìn)行初生空化系數(shù)及臨界空化系數(shù)試驗(yàn)，在電站空化系數(shù)下對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片空化、葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化的初生線與發(fā)展進(jìn)行觀測(cè)、拍照或錄像，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)前一天的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行部分復(fù)核；電站空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線。試驗(yàn)水頭：H≥25 m；水中空氣含量滿足IEC要求；空化試驗(yàn)內(nèi)容見表8，復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果見表9；葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化初生線觀察，見表10和表11。

（1）初生空化系數(shù)σi的定義為隨著尾水管的真空度的增加，在三個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)。臨界空化系數(shù)σc值采用σ1，σ1指與無(wú)空蝕工況效率相比，效率降低1%時(shí)的空化系數(shù)。

（2）葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化初生線的判定準(zhǔn)則：根據(jù)在復(fù)核試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)內(nèi)窺鏡在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處觀察轉(zhuǎn)輪葉片上出現(xiàn)目測(cè)可見氣泡來(lái)確定。

（3）在初生空化系數(shù)、電站空化系數(shù)及臨界空化系數(shù)下進(jìn)行觀測(cè)和圖像記錄。

復(fù)核試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8，典型點(diǎn)照片見表9。

表8 空化復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)備廠家試驗(yàn)值的比較

表9 部分典型工況對(duì)應(yīng)圖像

復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果表明，在電站全部正常運(yùn)行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)σp與臨界空化系數(shù)σ1的比值k1、電站空化系數(shù)σp與初生空化系數(shù)σi比值安全裕量ki均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗(yàn)值。

3.3 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

壓力脈動(dòng)復(fù)核試驗(yàn)，在電站空化系數(shù)下進(jìn)行，空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線，測(cè)定與水流不穩(wěn)定或尾水管渦帶有關(guān)的蝸殼、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間、頂蓋與轉(zhuǎn)輪上冠之間及尾水管的壓力脈動(dòng)的幅值和頻率，測(cè)壓孔布置應(yīng)位于能測(cè)量壓力脈動(dòng)最大幅值的位置。

壓力脈動(dòng)復(fù)核試驗(yàn)在不補(bǔ)氣的條件下進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容包括不同水頭不同負(fù)荷壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用FFT分析軟件進(jìn)行幅頻特性分析，試驗(yàn)結(jié)果給出各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖、頻域圖及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。

復(fù)核詳情見表10、表11。

表10 尾水管壓力脈動(dòng)混頻雙振幅投標(biāo)值復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果（±Y0.3D2）

表11 導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前區(qū)域壓力脈動(dòng)混頻雙振幅投標(biāo)值復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)核試驗(yàn)表明，在整個(gè)運(yùn)行范圍，壓力脈動(dòng)的幅值滿足要求，在整個(gè)運(yùn)行區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)?？栈禂?shù)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明空化系數(shù)的變化對(duì)壓力脈動(dòng)幅值影響不大，在33.70 m～58.90 m運(yùn)行水頭條件下，水輪機(jī)能夠在空載以及45%～100%出力范圍內(nèi)連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 葉道渦和卡門渦觀察試驗(yàn)

通過(guò)目測(cè)觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口側(cè)同時(shí)在3個(gè)轉(zhuǎn)輪葉道間開始出現(xiàn)的渦流，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果在水頭和出力關(guān)系圖中繪制出口側(cè)葉道渦初生線。

通過(guò)目測(cè)觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口側(cè)的發(fā)展葉道渦（所有流道同時(shí)出現(xiàn)），并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果在水頭和出力關(guān)系圖中繪制出口側(cè)葉道渦發(fā)展線,詳見表12。

表12 葉道渦初生和發(fā)展線復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)目測(cè)觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口邊可見卡門渦現(xiàn)象，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果在水頭和出力關(guān)系圖中繪制可見卡門渦發(fā)生線，詳見表13。

表13 可見卡門渦范圍

3.5 飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

試驗(yàn)在能量工況下進(jìn)行，試驗(yàn)水頭：H≥10 m，復(fù)核情況見表14。

表14 飛逸轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)核試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)核試驗(yàn)表明，試驗(yàn)結(jié)論與設(shè)備廠家試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果吻合。在100%導(dǎo)葉開度時(shí)單位飛逸轉(zhuǎn)速與換算到最大水頭時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗(yàn)結(jié)果。

4 復(fù)核試驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)在第三方中立試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)工程水輪機(jī)模型復(fù)核試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備廠家提出的模型試驗(yàn)報(bào)告成果的真實(shí)性，可信度高。復(fù)核試驗(yàn)表明A1563模型水輪機(jī)最優(yōu)效率、加權(quán)平均效率均略優(yōu)于設(shè)備廠家試驗(yàn)數(shù)值，滿足合同文件中相應(yīng)要求；在額定水頭43.5 m、額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min時(shí)，水輪機(jī)工況額定出力達(dá)到255.1 MW，滿足合同文件相應(yīng)要求；A1563模型水輪機(jī)在規(guī)定的水頭范圍內(nèi)有較高的效率，且效率曲線變化平緩，在正常運(yùn)行范圍內(nèi)可長(zhǎng)期連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行；A1563 模型水輪機(jī)空化性能滿足合同文件要求，空化性能優(yōu)異，具有較大的空化安全裕度；在整個(gè)運(yùn)行范圍，A1563 模型水輪機(jī)壓力脈動(dòng)幅值滿足合同文件要求，在整個(gè)運(yùn)行區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)，電站不同空化系數(shù)對(duì)壓力脈動(dòng)幅值影響不大；在額定開度下，換算至最大水頭下對(duì)應(yīng)飛逸轉(zhuǎn)速優(yōu)于設(shè)備廠家試驗(yàn)數(shù)值，兩者均優(yōu)于合同要求；流態(tài)觀測(cè)方面，在電站運(yùn)行范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)水邊正、背面脫流及可見卡門渦現(xiàn)象[1]。

綜上分析，A1563模型水輪機(jī)綜合性能優(yōu)良，具有良好的效率、出力、空化、飛逸和穩(wěn)定性性能，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程水輪機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求。