水泵工况下水泵水轮机压力脉动特性分析_刘天鹏.pdf

453210.3000.280.260.240.220.20Qm/（m3s-1）压力脉动峰峰值H/H/%蜗壳进口导叶后转轮前+Y导叶后转轮前-Y顶盖锥管0.4D2+Y锥管1.0D2+Y肘管底环图2 不同流量条件下各测点压力脉动峰峰值蜗壳进口导叶后转轮前+Y导叶后转轮前-Y顶盖锥管0.4D2+Y锥管1.0D2+Y肘管底环图1 压力脉动测点分布示意图水泵工况下水泵水轮机压力脉动特性分析刘天鹏1，2，李春辉1，2，刘 佳1，2，王 野1，2（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061）摘 要水泵水轮机无叶区是机组内部水力因素引起的压力脉动最大的部位，也是机组和厂房振动的主要激振源之一。本文以某抽水蓄能电站机组稳定性试验结果为基础，分析了机组内部压力脉动混频幅值随流量的变化规律，重点关注了无叶区压力脉动分频幅值随流量和倍频的变化规律及压力脉动特征频率的传播特性，为研究机组和厂房振动诱因提供了思路。关键词水泵工况；蓄能机组；压力脉动；无叶区中图分类号 TV743文献标识码B文章编号 10020624（2023）04006803随着大型抽水蓄能机组的投运，水力激振所引发的稳定性问题日益突出，引起工程技术人员的注意1。张飞等2以浙江仙居抽水蓄能电站为实例，采用频谱对比分析方法研究了水力激振作用下机组在泵工况下的稳定性；陈婧等3通过三峡水轮机模型试验，利用动力时程分析法计算厂房结构在水力激励下的振动反应；另外张河湾、黑麋峰、蒲石河等机组都存在不同程度的水力激振导致的机组振动问题4，5。2020年，某抽水蓄能电站进行1号机转轮改造，为查明新机组在水力激振作用下的稳定性，以及厂房整体和局部构件是否存在局部共振的可能性，对1号机组水力激振源特性进行了分析，为转轮优化设计提供了依据。1 机组参数及测点布置某抽水蓄能电站总装机容量为1 200 MW，单机容量为300 MW，共4台机组。水泵水轮机的主要参数：固定导叶和活动导叶均为 20 个，转轮叶片7个，额定转速333.3 r/min。在模型水泵水轮机上共设置8个压力脉动监测点，测点位置如图1所示。2 压力脉动混频幅值变化规律分析水泵工况时，各测点压力脉动峰峰值随流量的变化规律如图2所示。由图2可以看出，各测点压力脉动幅值随着流量的增大略有增加，但影响并不明显；无叶区（导叶后转轮前）的压力脉动明显高于其他位置；尾水管处的压力脉动小于其他位置，这可能与水泵工况时，尾水管变为进水管有关；各测点的压力脉动峰峰值随流量的变化规律相似。专题研究东北水利水电2023年第4期 68DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.005压力脉动实验流量为水泵正常运行范围内的流量。因此，在水泵正常运行工况下，水泵水轮机的运行较为稳定，基本不会受到流量变化的影响。3 压力脉动分频幅值变化规律分析为分析各测点在各个工况下的分频幅值变化规律，由快速傅里叶变换得到各工况相应的频域图，如图3所示。图3中，Z轴为压力系数CH；X轴为转频的倍频f/fn，f为频率，fn为转频；Y轴为不同的工况，即模型流量。由图 3 可以看出：蜗壳进口频率成分较为复杂，主要频率f/fn=0.30，1.00，7.00，21.00，低频（f/fn=0.30）的幅值随着流量的增大先减小后增大，f/fn=1.00的频率幅值随着流量增大没有明显变化，f/fn=7.00和f/fn=21.00的频率幅值随着流量增大而增大。顶盖处的主频成分较多，整体来看，流量对频率幅值的变化影响不大。导叶后转轮前的主要频率f/fn=7.00，14.00，21.00，主频幅值明显高于其它位置，主频幅值受流量变化影响较小，大流量处的主频幅值略有增加。锥管处的主要频率f/fn=0.30，1.00，2.00，6.00，12.00，且1.0D2处的主频幅值高于0.4D2处，f/fn=0.3，1.00频率的幅值随着流量的增大变化不明显，f/fn=6.00的频率幅值随着流量的增大逐渐增大。肘管处的主要频率f/fn=0.30，1.00，2.00，6.00，12.00，21.00，f/fn=6.00的频率幅值随着流量增大而逐渐增大，其他主频幅值随流量变化并不明显。底环处的主要频率f/fn=0.30，6.00，f/fn=0.30的频率幅值随着流量增大略有增加，f/fn=6.00的频率幅值随着流量增大而增大，大流量时的幅值最大。综上可知，水泵在流量Qm为0.251 8 m3/s左右的工况运行时，水泵整体的压力脉动幅值相对较小。4 压力脉动上下游传播特性分析为分析压力脉动的传播特性，沿流道分布选取5个测点，从上游到下游依次为蜗壳进口、导叶后转轮前+Y、锥管 0.4D2+Y、锥管 1.0D2+Y、肘管。在沿流道分布的多个测点中，顶盖和底环处的压力脉动为叶轮上冠与顶盖、叶轮底环处的压力，因此不作为流道测点进行分析。由图3可知，各测点在每个负荷下的频域成分基本相似，但在大流量和小流量时会有所不同，因此，小负荷下选用Qm=0.219 5m3/s，大负荷选用Qm=0.275 0m3/s，分别作为典型工况来分析水泵工况的压力脉动传播特性，如图4所示。（b）Qm=0.275 0m3/s图4 典型工况下导叶后转轮前+Y处大小负荷频域图（b）导叶后转轮前-Y图3 导叶后转轮在不同流量时压力脉动频域图（a）导叶后转轮前+Y（a）Qm=0.219 5m3/s1.01.20.80.60.40.22202018161210864214f/fn01.01.20.80.60.40.22202018161210864214f/fn0CH/（%）CH/（%）221.21.00.80.60.40.202018161412108642220.282 50.208 90.219 50.232 10.251 80.262 30.275 0f/fnCH/（%）Qm/（m3s-1）221.21.00.80.60.40.20201816141210864222f/fnCH/（%）0.208 90.219 50.232 1Qm/（m3s-1）0.282 50.251 80.262 30.275 02023年第4期东北水利水电工程建设与管理 69收稿日期 2022-11-29由图4可知，典型工况下，主要频率f/fn=0.30，1.37，1.00，2.00，7.00，14.00，21.00。Qm=0.219 5m3/s和Qm=0.275 0m3/s时，主频f/fn=2.00，7.00，14.00，21.00最大幅值均出现在无叶区，并未向上下游传播，因此，无叶区的上下游测点处该4种频率幅值较小，说明转轮叶频倍频的影响仅限于无叶区内；主频f/fn=1.00（转频）在蜗壳进口和无叶区处具有相同的幅值，说明转频对蜗壳和无叶区都有较大的影响，但是在锥管和肘管处，转频幅值开始减小，说明在这两个地方，转频的影响变小，转轮的影响变弱，这可能与水泵工况时水流由下游流向上游有关；频率f/fn=0.30，1.37在无叶区和蜗壳进口较大，在锥管和肘管处变小，说明这两种频率形成于无叶区并向上游传播至蜗壳，但并未向锥管和肘管传播。Qm=0.275 0m3/s 时，f/fn=0.30，1.37两种频率向上游传播至蜗壳处且并未衰减；Qm=0.219 5 m3/s 时，f/fn=1.37频率向蜗壳传播时，有所减弱，而低频f/fn=0.3却未减弱，说明形成于无叶区的低频更容易向上游传播，幅值并不减弱。综上所述，高频()f/fn1.00成分主要形成于无叶区，且不易向上下游传播，向上游或下游急剧减弱；仅限于无叶区内幅值较高，该频率是由叶片和蜗壳的动静干涉引起的，是其固有特性，不易消除。低频()f/fn1.00成分主要在偏最优工况时，形成于无叶区和锥管，更易向上下游传播，且不易衰减，该频率主要是由流道内的漩涡和二次流引起的。转频()f/fn=1.00成分在无叶区最大，对上游蜗壳和下游锥管均有较大的影响，分析是由于转轮的旋转会对这些部位产生动静干涉的作用。5 结 语通过比较水泵水轮机泵工况下不同测点的压力脉动，发现无叶区的压力脉动最大，蜗壳进口和顶盖次之，尾水管处压力脉动最小；水泵运行最优工况为Qm=0.251 8m3/s，相对于最优工况，大流量工况和小流量工况的压力脉动幅值较大，并且越偏离最优工况压力脉动幅值越大；水泵工况下无叶区形成的低频向上游传播较远且幅值衰减较小，高频主要形成于无叶区，向上游或下游急剧减弱，锥管和肘管不易形成幅值较大的频率，漩涡和二次流是产生低频成分的主要因素。因此，水泵水轮机应尽量避开偏离最优工况运行，减少流道内出现的漩涡和二次流，减少低频成分的出现，减弱其传播。参 考 文 献1张梁，李金伟.水轮机工况下水泵水轮机的无叶区压力脉动特性分析 J.大电机技术，2017（1）：60-63.2张飞，周喜军，孙慧芳，周攀.水力激振作用下的蓄能机机组泵工况稳定性分析 J.南水北调与水利科技，2017，15（5）：202-208.3陈婧，马震岳，刘志明，等.水轮机压力脉动诱发厂房振动分析 J.水力发电，2004（5）：24-27.4王建.水电站水力振源特性分析及CFD数值模拟 D.西安：西安理工大学，2018.5李琪飞，蒋雷，李仁年，等.水泵水轮机反水泵工况区压力脉动特性分析 J.水利学报，2015（3）：350-356.收稿日期 2022-12-08（上接第67页）采取以上技术手段外，还要加强和完善数据处理单位（部门）的数据使用审批机制，尤其是要加强不同参建单位间的数据使用审核机制，加强审批流程管理，对数据使用的目的和内容、使用时间、技术防护措施、数据使用后处置方式等进行审核，保证数据生命周期内安全管理。参 考 文 献1钱峰，周逸琛.数字孪生流域共建共享相关政策解读J.中国水利，2022（20）：14-17，13.2水利部.数字孪生水利工程建设技术导则（试行）R.北京：水利部，2022.3水利部.数字孪生流域建设技术大纲（试行）R.北京：水利部，2022.4百度百科.数据脱敏 EB.（2022-10-14）2023-03-02.https：/ EB.（2022-02-28）2023-03-01.https：/ EB .（2023-02-09）2023-03-03 .https：/ 70