李琪飛，李光賢，權(quán)　輝，王仁本，張正杰，趙超本

（1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730050；2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州　730050）

1　研究背景

水泵水輪機(jī)是抽水蓄能電站進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的核心部件，其導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主要作用是形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的液流速度環(huán)量。由于水泵水輪機(jī)的運(yùn)行工況較多，水泵水輪機(jī)經(jīng)常需要變換工況運(yùn)行，并且在水泵工況和過渡工況運(yùn)行時(shí)振動(dòng)一般較大，有時(shí)會(huì)引起整個(gè)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的共振，容易出現(xiàn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的疲勞破壞，因此對導(dǎo)葉水力矩的研究具有重要意義［1-2］。

目前對水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的研究卻并不詳盡。曹樹良等［3］、李琪飛等［4］對活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)進(jìn)行固液兩相流數(shù)值分析得出導(dǎo)水部件的磨損預(yù)估和水力損失；羅興锜等［5］建立了基于NSGA-Ⅱ算法的水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；李仁年等［6］在研究水泵水輪機(jī)S特性時(shí)分析了導(dǎo)葉后無葉區(qū)流態(tài)對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)的影響；郭濤等［7］、黃劍鋒等［8-9］、王文全等［10］對活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)部流態(tài)從不同角度進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)的湍流特性；紀(jì)興英等［11］基于株洲貫流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)對水輪機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析不同漿葉轉(zhuǎn)角下的導(dǎo)葉水力矩；李仁年等［12-13］在進(jìn)行全流道數(shù)值模擬時(shí)分析了無葉區(qū)和轉(zhuǎn)輪區(qū)域的壓力脈動(dòng)；F.Botero等［14］對水泵水輪機(jī)無葉區(qū)進(jìn)行非侵入式探測試驗(yàn)以分析轉(zhuǎn)輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速和回流現(xiàn)象；劉錦濤等［15］提出一種新的渦黏模型對水泵水輪機(jī)無葉區(qū)湍動(dòng)能進(jìn)行了研究；Vlad Hasmatuchi等［16］采用在導(dǎo)葉區(qū)通入高壓氣流觀察水流流態(tài)的方法研究轉(zhuǎn)輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速的演變和發(fā)展；Christophe Devals等［17］使用二維和三維相對比的方法對活動(dòng)導(dǎo)葉的扭矩進(jìn)行了數(shù)值模擬研究并與試驗(yàn)值進(jìn)行相互驗(yàn)證。

綜合以上研究現(xiàn)狀，目前國內(nèi)外學(xué)者對導(dǎo)葉區(qū)域的研究主要以數(shù)值模擬為主，試驗(yàn)研究較少。本文對水泵水輪機(jī)模型進(jìn)行導(dǎo)葉水力矩測試試驗(yàn)，測量水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況同步導(dǎo)葉和非同步導(dǎo)葉兩種情況的水力矩，并進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果可為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)速器設(shè)計(jì)以及水泵水輪機(jī)運(yùn)行提供參考。

2　試驗(yàn)內(nèi)容

2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)所用模型為國內(nèi)某抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)模型，參數(shù)如表1所示，模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。被測導(dǎo)葉按照一定規(guī)律編號如圖2所示，所測導(dǎo)葉為 4#、9#、10#、11#、14#、18#，在投入非同步導(dǎo)葉測試導(dǎo)葉水力矩時(shí)，設(shè)置10#導(dǎo)葉為非同步。所測開度從18.4%開始至100%以保證數(shù)據(jù)分析的全面性。此外，為了分析水流對不同開度導(dǎo)葉的力矩特性，選取若干不同開度的活動(dòng)導(dǎo)葉位置如圖3所示。

表1　模型水泵水輪機(jī)幾何參數(shù)

圖1　模型試驗(yàn)裝置

圖2　被測導(dǎo)葉布置

圖3　導(dǎo)葉運(yùn)動(dòng)圖

2.2試驗(yàn)方案為測量模型水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉水力矩，基于電測應(yīng)力分析方法，在經(jīng)過加工的被測導(dǎo)葉軸上，與軸線成45°和135°的兩個(gè)方向上粘貼兩組絲式電阻應(yīng)變片，并聯(lián)構(gòu)成全橋形式測量橋路?；顒?dòng)導(dǎo)葉軸扭矩發(fā)生變化時(shí)，粘貼在導(dǎo)葉軸上的應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，最終使得靈敏度系數(shù)發(fā)生變化，通過電流放大測出相應(yīng)的電流值，使用砝碼標(biāo)定獲得相應(yīng)的力矩值。測力活動(dòng)導(dǎo)葉的標(biāo)定使用文獻(xiàn)［18］所述的方法。為了保證測量的靈敏度，導(dǎo)葉軸要經(jīng)過特殊加工，粘貼應(yīng)變片的一段導(dǎo)葉軸直徑比不粘貼段小30%，與軸孔配對安裝的軸段進(jìn)行打磨處理，使得軸與軸孔之間的摩擦力矩盡可能?。?9］。測試完所有工況后，將所有導(dǎo)葉開度值均換算為無量綱的相對開度［20］，使用導(dǎo)葉水力矩因數(shù)表示水力矩大小。根據(jù)國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程［21］要求，采用下列公式計(jì)算導(dǎo)葉水力矩因數(shù)：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；D1為轉(zhuǎn)輪低壓側(cè)直徑，m；H為試驗(yàn)水頭，m；g為重力加速度，m/s2；TG為導(dǎo)葉水力矩，N?m；對于TG的方向，取導(dǎo)葉關(guān)閉方向?yàn)椤?”，導(dǎo)葉開啟方向?yàn)椤?”。

在進(jìn)行同步導(dǎo)葉的水力矩試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)水頭定為30 m。為使測量值和原型機(jī)運(yùn)行時(shí)盡可能接近（原型機(jī)額定轉(zhuǎn)速250 r/min，極限低水頭175 m，額定水頭190 m，最大水頭220 m），將模型測量工況點(diǎn)換算到原型機(jī)中時(shí)，轉(zhuǎn)速要達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，水頭分別達(dá)到最低水頭，額定水頭和最大水頭。根據(jù)式（2）可求得單位轉(zhuǎn)速，只需要調(diào)節(jié)模型機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)進(jìn)口端主閥可達(dá)到要求。

式中：n11為單位轉(zhuǎn)速，r/min；n為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，r/min；D為轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑，m；H為水頭，m。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1同步導(dǎo)葉水力矩變化同步導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。將導(dǎo)葉水力矩測量值經(jīng)過式（1）轉(zhuǎn)換為導(dǎo)葉水力矩因數(shù)并繪制為圖4所示的點(diǎn)線圖，圖4為對應(yīng)極限低水頭、額定水頭、最高水頭下的導(dǎo)葉水力矩因數(shù)值。由圖中曲線可以看出，在3種水頭下所有被測導(dǎo)葉隨著開度的增大，力矩因數(shù)的變化趨勢趨近一致。

在極低水頭時(shí)，如圖4（a）所示，被測導(dǎo)葉的力矩值總體上以一個(gè)固定的變化率增大，并未出現(xiàn)突變。對照圖3導(dǎo)葉運(yùn)動(dòng)圖，小開度時(shí)，流體繞流翼型的前駐點(diǎn)位于翼型上測面負(fù)攻角區(qū)域，這時(shí)繞流產(chǎn)生的升力趨近于零。同時(shí)，根據(jù)3種水頭下所有被測導(dǎo)葉水力矩的變化趨勢可以推測出，開度小于34.8%時(shí)的力矩為正值，方向指向?qū)~關(guān)閉的方向。

表2　裝置空化系數(shù)下的導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)結(jié)果

在額定水頭下，如圖4（b）所示，被測導(dǎo)葉水力矩因數(shù)值隨著開度的增大，變化趨勢總體上也趨近一致，但是在55.3%開度之前以較小的速率變化，并且力矩因數(shù)值相對較小，這是因?yàn)樵谛∮?5.3%的開度下，流體繞流活動(dòng)導(dǎo)葉翼型時(shí)前駐點(diǎn)位于零升力攻角（0度至-5度）范圍內(nèi)，并且當(dāng)開度小于18.4%時(shí)負(fù)攻角較大，使翼型繞流變差。此種翼型繞流還帶來了大小不等的流動(dòng)阻力，該阻力由邊界層內(nèi)的黏性摩擦阻力和邊界分離而行成的壓差阻力兩者構(gòu)成［22］。

在最大水頭時(shí)，如圖4（c）所示，相比極低水頭和額定水頭，在小于34.8%開度時(shí)力矩因數(shù)值較雜亂；在43.0%開度值之后，力矩值變化趨于一致?？傮w而言，3個(gè)水頭條件下的力矩都是在小開度下力矩值相對較小，隨著開度變大力矩值逐漸變大，并且隨著開度變大，力矩的方向都由導(dǎo)葉關(guān)閉方向轉(zhuǎn)向?qū)~開啟方向。開度大于34.8%范圍內(nèi)，力矩方向都指向?qū)~開啟方向，這是因?yàn)樗盟啓C(jī)在水頭越高的時(shí)候能利用的壓力能和動(dòng)能越大，并且在小開度時(shí)機(jī)組運(yùn)行在偏工況區(qū)域，故水力矩因數(shù)的分布在小開度時(shí)比在大開度時(shí)受不同編號的導(dǎo)葉分布位置影響較大。水泵水輪機(jī)在運(yùn)行中急速增減負(fù)荷，水力振動(dòng)大，泵工況時(shí)水流對導(dǎo)葉的沖擊比水輪機(jī)工況時(shí)更大，在水泵工況導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)中也驗(yàn)證了泵工況的水力矩因數(shù)極值比水輪機(jī)工況極值大。水泵水輪機(jī)以水泵工況設(shè)計(jì)，以水輪機(jī)工況進(jìn)行校核，優(yōu)先滿足水泵工況的要求，因此水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況下的導(dǎo)葉自關(guān)閉性能比泵工況差。

試驗(yàn)使用的水泵水輪機(jī)模型導(dǎo)葉最優(yōu)開度為51.2%。最小水頭和額定水頭下的水力矩值在最優(yōu)開度附近的43.0%至57.4%開度時(shí)，各個(gè)被測導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)值最為接近，相差小于1.262（×10-4）；在最大水頭時(shí)被測導(dǎo)葉力矩值在43.0%開度時(shí)最為接近。在小于34.8%和大于57.4%的大部分開度下，不同位置的被測導(dǎo)葉水力矩因數(shù)值相差大于1.262（×10-4）。

3.2非同步導(dǎo)葉水力矩變化本文對使用非同步導(dǎo)葉時(shí)的力矩特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。設(shè)置10#導(dǎo)葉為非同步導(dǎo)葉，并選取和原型機(jī)最大水頭相對應(yīng)的模型試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。同步導(dǎo)葉分別開至18.4%、34.8%、51.2%、67.6%、84.0%、100%的開度，每一個(gè)同步開度下非同步導(dǎo)葉10#都開至18.4%、34.8%、51.2%、67.6%、84.0%、100%分別進(jìn)行試驗(yàn)，非同步導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)共進(jìn)行了36組。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的水力矩因數(shù)分布如圖5（a）—（f）所示。從圖中可以看出，使用非同步導(dǎo)葉之后導(dǎo)葉水力矩的最大值和最小值覆蓋范圍明顯變大，特別是作為非同步的10#導(dǎo)葉在不同的非同步開度下力矩值變化較大。但是當(dāng)非同步開度和同步開度重合時(shí)，非同步導(dǎo)葉和同步導(dǎo)葉的力矩值相近，即力矩值相近的點(diǎn)隨著非同步導(dǎo)葉的開度增大而向后移動(dòng)。

圖4　同步導(dǎo)葉水力矩

圖5　非同步導(dǎo)葉水力矩

如圖5（a）所示，10#導(dǎo)葉作為非同步開啟18.4%時(shí)，在18.4%的同步開度附近同步導(dǎo)葉9#、11#的力矩因數(shù)值和10#導(dǎo)葉的力矩因數(shù)值接近；但是開度相差較大時(shí)，力矩因數(shù)值也相差較大，甚至力矩方向也不一樣。當(dāng)非同步導(dǎo)葉開度較小而同步導(dǎo)葉開度較大時(shí)，非同步導(dǎo)葉對導(dǎo)葉流道中流體的阻擋作用增加了自身和前后導(dǎo)葉的流動(dòng)阻力損失，并且造成了較大的壓差，這時(shí)導(dǎo)葉受力急劇增大，從而形成了圖5（a）和圖5（b）中的后半段10#導(dǎo)葉的較大水力矩因數(shù)。當(dāng)非同步導(dǎo)葉開度較大而同步導(dǎo)葉開度較小時(shí)，如圖5（f）中所示，10#非同步導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)值的模隨著同步開度的增大而逐漸減小。這時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉受力情況剛好和圖5（a）和圖5（b）中的相反，同步導(dǎo)葉開啟至小開度時(shí)，由于10#導(dǎo)葉開度較大，流體沖擊10#導(dǎo)葉前緣的翼型下側(cè)較大正攻角區(qū)域，而導(dǎo)葉后緣的流體沖擊導(dǎo)葉翼型上測靠近后緣的區(qū)域，這樣就形成繞導(dǎo)葉軸線俯視順時(shí)針方向的力矩，即導(dǎo)葉開啟方向，并且力矩因數(shù)值較大。

當(dāng)非同步導(dǎo)葉和同步導(dǎo)葉之間的開度差值大于32.8%時(shí)，隨著10#非同步導(dǎo)葉開度的增大，對同步導(dǎo)葉的力矩因數(shù)值有較大影響，特別是對9#和11#導(dǎo)葉的力矩因數(shù)。對照圖4（c）中9#和11#導(dǎo)葉的導(dǎo)葉水力矩因數(shù)，使用非同步導(dǎo)葉前導(dǎo)葉水力矩因數(shù)值的極大值相差不超過1.35（×10-4），在使用非同步導(dǎo)葉之后，水力矩因數(shù)的極大值相差達(dá)到了7.19（×10-4），圖5（f）表明使用非同步導(dǎo)葉之后原先的流動(dòng)對稱性和受力均勻性被嚴(yán)重破壞，此種情況不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6　非同步導(dǎo)葉對同步導(dǎo)葉水力矩的影響

當(dāng)非同步導(dǎo)葉和同步導(dǎo)葉之間的開度差值為16.4%時(shí)，如圖6（a）（c）所示。9#導(dǎo)葉和11#導(dǎo)葉的力矩值都有大幅度減小，尤其在同步開度為43.0%至92.2%之間。但是同步開度為67.6%時(shí)作為非同步的10#導(dǎo)葉的力矩因數(shù)值最大增大了29.75%，在其它同步開度下，10#導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)值也有小幅度增大，如圖6（c）所示。

圖6（b）（d）所示為非同步導(dǎo)葉開度與同步導(dǎo)葉開度之間的差值為32.8%時(shí)的導(dǎo)葉水力矩因數(shù)對比。圖 6（b）中同步開度為34.8%時(shí)的9#導(dǎo)葉和11#導(dǎo)葉水力矩因數(shù)差值最大，達(dá)到2.49（×10-4）；圖6（d）中同步開度67.6%的10#導(dǎo)葉作非同步導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)比做同步導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)增大了5.16（×10-4），這樣的結(jié)果使得非同步導(dǎo)葉周圍形成了非常嚴(yán)重的局部受力不均和流動(dòng)圓周不對稱。

由以上結(jié)果可知，從導(dǎo)葉水力矩的角度分析，水輪機(jī)工況使用非同步導(dǎo)葉時(shí)，若預(yù)開導(dǎo)葉開度值與同步導(dǎo)葉開度值相差16.4%以內(nèi)，能夠改善同步導(dǎo)葉的水力矩情況，各個(gè)導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)也趨向均勻分布，未出現(xiàn)明顯的力矩因數(shù)突變；若差值大于16.4%時(shí)，非同步導(dǎo)葉的使用隨著開度值的增大反而對同步導(dǎo)葉水力矩情況造成不利影響，即開度差值大于16.4%時(shí)非同步導(dǎo)葉的使用隨著開度值的增大使得導(dǎo)葉水力矩急劇增大，并且不同導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)差別較大。

4　結(jié)論

本研究成功地運(yùn)用電測應(yīng)力分析方法對模型水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉水力矩進(jìn)行了測試，通過對測量結(jié)果的對比分析，得出以下結(jié)論：（1）導(dǎo)葉同步開啟時(shí)，隨著導(dǎo)葉開度的增大導(dǎo)葉水力矩因數(shù)在極低水頭、額定水頭和最大水頭時(shí)的變化趨勢一致。導(dǎo)葉開度小于43.0%時(shí)流過導(dǎo)葉流道的流量較小，導(dǎo)葉水力矩較小；43.0%開度之后水力矩隨著過流量的增大以平緩的變化率逐漸增大。（2）活動(dòng)導(dǎo)葉開度在小于34.8%時(shí)，不同被測導(dǎo)葉的水力矩因數(shù)比開度大于43.0%時(shí)變化更為劇烈，在最大水頭下最明顯；水頭低于額定水頭時(shí)在最優(yōu)導(dǎo)葉開度附近（43.0%至57.4%開度）各個(gè)被測導(dǎo)葉水力矩因數(shù)值較為接近，相差小于1.262（×10-4）；當(dāng)小于34.8%和大于57.4%的大部分開度下，不同位置的被測導(dǎo)葉水力矩因數(shù)值相差大于1.262（×10-4）。（3）設(shè)置一個(gè)非同步導(dǎo)葉時(shí)，在不同的預(yù)開啟開度下導(dǎo)葉水力矩差別較大。通過對比分析，非同步導(dǎo)葉開度比同步導(dǎo)葉開度大16.4%和32.8%的兩種情況，得出使用非同步導(dǎo)葉時(shí)，若非同步導(dǎo)葉開度值與同步開業(yè)開度值相差16.4%以內(nèi)，則能夠改善同步導(dǎo)葉的水力矩分布情況；若差值大于16.4%，非同步導(dǎo)葉的使用使得導(dǎo)葉水力矩急劇增大，且存在嚴(yán)重的局部受力不均和流動(dòng)圓周不對稱，會(huì)對同步導(dǎo)葉水力矩情況造成不利影響。

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