红石水电站轴流定桨式机组叶片的优化与稳定性试验

红石水电站轴流定桨式机组叶片的优化与稳定性试验

1哈萨克斯坦4#机水轮机转轮叶片的改造红石水库4台50吨轴流式发票船由哈县电机厂有限公司（以下简称哈电）生产，是中国最大的轴流式机组。第一台4#机组于1985年投产,运行十余年后,对4#机水轮机转轮叶片进行改造。哈电为此进行了较为详尽的模型试验,其中包括对未改造前A190和改造后A944模型转轮的试验。在模型试验期间,测试人员对4#机组进行了现场稳定性试验,了解机组在不同水力条件下的水力稳定性情况,从而在新研发的红石水轮机转轮上采取相应的改进措施。2008年5月改造后的转轮叶片安装完毕。投入生产后再次进行了4#机组的稳定性试验,以对改造后4#机组的水力稳定性做出评价。2哈电第一百五段红石电站机械设计改造从红石电站1994年～2005年4台机组的运行情况来看:4#机启动次数较其他机组多近千次,运行小时数约为其他机组的1.5倍,而且,4#机经常在低负荷甚至极低负荷这种恶劣的工况下运行,这对轴流定桨式机组的安全稳定运行是极其不利的。并且,在2000年后,红石电站的上游建设了白山抽水蓄能电站,直至今日,白山电站陆续建设了二期、三期。上游水位的逐年变化,已使红石电站转轮偏离了其最佳运行区域。此外,从技术上而言,红石电站改造前的转轮是上个世纪设计的产品,已经安全运行20多年,20年后的今天,无论是设计水平还是制造技术都已经上了一个全新的台阶。哈电对红石电站水轮机流道进行了CFD计算后,发现其固定导叶安放角与蜗壳液流角分布的匹配有进一步改善的空间,同时转轮叶片工作面及背面的压力分布及轮毂断面的速度矢量不十分理想,可以通过改变叶片翼型及转轮通道进行优化,改善水轮机的水力稳定性。在设计过程中,考虑到实际的工程意义和改造成本,没有改变固定导叶的安放角和水轮机轮毂,设计人员对4#机叶片翼型进行了优化,将叶片长度方向相对枢轴重新分配,将叶片出水边缩短,进水边适当加长。由于在强度分析中发现机组在过渡过程中叶片与枢轴相交处的出水边侧的应力水平较高,所以此次在新转轮叶片设计时将叶片厚度特别是靠近轮毂的叶片根部适当加厚。3试验结果分析在A190的模型与原型机的试验过程中,采样速率均为2K/s,对数据的分析均采用了97%的置信度。模型A190尾水管处的锥管上游测点的压力脉动相对值在不同的水头下,随着单位流量的增加均呈现出下降的趋势。在现场原型机A190试验过程中,对尾水管处的压力脉动和尾水管进人门处的噪声同时进行了采集。在4#机组单开至4台机组全开4个尾水位的情况下,进行了4#机的变负荷试验,试验工况为以5MW为间隔,从5MW至额定出力的若干工况点。试验结果显示尾水管处的压力脉动幅值相对值与模型压力脉动幅值相对值的趋势是一致的,均随着机组负荷的增加而单调下降,负荷越小则压力脉动相对值越大。并且,4#机组的尾水测点在5MW出力时压力脉动幅值相对值可达100%～140%之间。通过上述模型与真机试验结果的分析后,综合考虑电站的实际情况,可以认为由于红石电站建设较早,并且CFD计算后发现红石电站固定导叶安放角与蜗壳液流角分布的匹配并不十分合理,水轮机来流条件不好使不稳定的因素增加,但轴流定桨式转轮叶片的安放角不能调节,对不同工况进口来流条件的适应性较差,所以在偏离最优工况运行时的不稳定性问题非常突出,这可以从模型与真机试验结果中,低负荷工况下的高压力脉动幅值相对值得到证明。从轴流定桨式机组完全不同于混流式机组的特性曲线的形状上看,由于轴流定桨式机组特性曲线为扁立式形状,一旦单位流量偏离最优点,效率变化的幅度会迅速增大,限制了机组稳定运行的最佳区域。在两天的试验中还发生了另外一件值得注意的事情:不论水头和尾水位如何变化,只要机组出力达到或超过35MW,在正常的水轮机运行噪声之外,尾水管进人门处还可以听到一种低沉的、较水轮机的涡带频率要高得多的背景噪声。在试验过程中,该噪声的出现与水头和尾水位等因素无关,而只与机组出力有关,即只要机组出力达到或超过35MW就会出现,且噪声的强度随着机组出力的增加而逐渐增大。由于尾水管压力脉动测点用一定长度的钢管引出,会对测量的信号产生一定程度的阻尼,所以测试人员为了更清楚地了解尾水管处的压力脉动频率成分,对尾水管进人门处的噪声也进行了分析,分析后发现,除了低频涡带频率成分外,还存在机组在中高负荷运行时的200Hz左右的高频水力频率,图1为4#机组尾水管进人门处35MW工况的噪声频谱分析图。为了确定此频率成分,测试人员结合改造前的模型A190叶片出水边的流态观测进行了分析。测试人员从水力试验台的模型试验装置上对影响水力稳定性的脱流、空化、压力脉动各个方面对A190转轮进行了分析。发现A190模型转轮在不同导叶开度的情况下除了观测到明显的间隙空化外,在叶片出水边还存在清晰、明显的脱流,并且在模型尾水管段可以明显感觉到由脱流而引起的并且与现场尾水管进人门处相似特征的噪声,图2自上而下为模型A190从小开口至大开口尾水管锥管处的压力脉动频谱分析图,从频谱分析中发现了与现场试验中相同的高频水力频率。结合现场试验的数据,推断在现场尾水管进人门处低沉的、较水轮机的涡带频率要高得多的200Hz左右的背景噪声是由叶片的背部脱流所引起的。从A190模型尾水管观测的试验结果的分析后可知,A190在较大的运行区域内叶片出水边处都会产生脱流。这样在低负荷工况尾水管中较高的脉动与脱流的高频脉动压力的共同作用下会导致转轮叶片的动应力增加。由于原型机尾水管处的压力脉动的这种趋势,必然会影响停机频繁且经常在低负荷下运行的4#机组的使用时间。建议电厂应避免机组长时间在低负荷工况运行,在起机的过程中应快速通过低负荷区,在满负荷工况附近运行。4尾水污染的流态分析在A944叶片设计过程中,设计人员基于A190的模型与现场试验分析结果对A944进行了进一步的优化,将叶片头部进行适当修型,尽量降低机组在偏离最优工况时叶片表面的间隙空化及叶片背部脱流,使得尾水管内的流态在运行范围内比前期的研究阶段更加良好。在A944尾水管的流态观测试验中,A944在电站的装置空化系数下随着导叶开度逐渐增至额定开度,叶片背面脱流逐渐减轻,在模型段的尾水管处可感觉到噪声比模型A190大大降低。图3自上而下为模型A944从小开口至大开口尾水管锥管处的压力脉动频谱分析图,可以发现,A944尾水管压力脉动的频率成分比A190要简洁,200Hz左右的高频水力频率已经大大地减弱。从侧面说明了A190现场水力稳定性试验中对叶片背部脱流的确认是正确的,A944叶片模型优化设计是成功的。改造后的A944模型转轮最优效率为90.04%,比A190高1.84%。A944锥管下游处测点的压力脉动幅值相对值在红石水轮机60%～100%出力、全部水头范围内为23.65%,小于红石电站改造协议要求的小于30%的规定。改造后模型尾水管的流态已经有了非常大的改变,为确认模型尾水管处的压力脉动是否有改善,将模型A190与A944的压力脉动结果进行了比较。图4为模型A190与模型A944在锥管上游测点处,在对应于原型机额定水头23.3m情况下的压力脉动比较结果。除了频谱差别较大以外,改造前后的模型压力脉动幅值的相对值在量级上并没有质的改变。这说明,根据上述水轮机来流条件以及轴流定桨式转轮叶片对来流条件的适应性等前提的局限下,在只改变叶片翼形的条件下,轴流定桨式模型水轮机尾水管处压力脉动幅值是很难有非常大的改善的,叶片翼形的优化对尾水管处的流态的改善则起到了有效的促进作用。2008年5月,红石电站的4#转轮叶片A944更换完毕。试验人员选择了4#机组和转轮型号为A190、未进行改造的3#机组同时进行了水力稳定性试验。从图5中可以看到,A944从30MW至超发工况下,A944尾水管处压力脉动的幅值相对值略小于A190,但与A190同样没有质的改变,这与模型压力脉动试验结果的比较是一致的。对A944尾水管处所采集的压力脉动电量信号进行了频谱分析。以4#、3#机在35MW工况下运行的压力脉动数据为例,从时域上看,A944尾水管压力脉动时域波形比A190要简洁许多,反映在频域上,A944尾水管压力脉动频谱成分比A190简单。对图6尾水管压力脉动频谱进行细致地分析后发现A944与A190同时存在0.366左右的为主频的低频涡带频率,但A190的主频幅值为A944的1.4倍左右。A944的第二主频为5.1,A190的第二主频为19.9,并且A944的第二主频的幅值要大大低于A190。这表明,A944减弱了例如脱流等运行时的水力干扰频率。在尾水管压力脉动的波形与频谱分析中,可以确认尾水管处的流态得到了改善,在尾水管处的压力脉动频谱图中没有发现200Hz左右的高频脱流水力频率,为了进一步确认改造后4#机A944叶片出水边的脱流是否减弱,对在试验过程中4#机尾水管进人门处同时采集的噪声信号进行了频谱分析。经过对尾水管噪声频谱分析并与4#机组改造前A190噪声频谱图比较后发现,旧转轮A190主要能量集中在300～600Hz之间,且有200Hz左右特殊谱线的存在(见图1),新转轮A944主要能量集中在300～500Hz之间,但是能量分布分散,200Hz左右频率的谱线已经非常不明显或者不存在(见图7)。从噪声信号分析中进一步确认了真机A944脱流的减弱。5增设统一的气力系统综合较为全面的模型转轮叶片改造前后的试验数据和现场水力稳定性试验数据,分析后可以认为,由于轴流定桨式机组固有的局限,要想仅仅通过叶片的改造大大减小压力脉动幅值是不现实的。根据前人的试验研究成果,合理的增设补气系统,如设置轮毂处的自然补气系统,可以使不稳定的涡流稳定,消除涡带的漩涡或摆动,同时,气泡在水中溃散时,衰减压力脉动。另外,采用叶片与轮毂焊在一起的结构,以提高抗疲劳裂纹