2.2 水轮机模型及验收试验
龙滩水电站水轮机及其附属设备由东方电机股份有限公司、伏依特西门子公司和上海希科水电设备有限公司联合体(简称VSH/SHEC)中标,并于2003年1月与业主方签订供货合同。2003年9月,业主方组成龙滩水电站水轮机模型验收试验工作组,在VOITH SIEMENS水力机械试验室进行了水轮机模型验收试验,验证水轮机的水力性能指标是否满足供货合同要求,并将验收后的模型试验结果作为水轮机水力设计和验证原型水轮机能量指标保证值和机组稳定性的依据。
2.2.1 模型试验原理
水轮机中的水流运动属于水力学范畴,水轮机内部流动满足三维黏性流动方程,包括连续性方程、运动方程、能量方程和状态方程,遵循水力相似准则。这些准则包括:
斯特努哈数St:非定常运动中当地加速度与迁移加速度的比值,反映到水轮机中对应的就是单位转速。在稳定工况下,水轮机转轮中的相对运动是定常的,绝对运动是非定常的。所以斯特努哈数St相等即单位转速相等是水轮机模型试验必须满足的条件。
欧拉数Eu:差压力与惯性力的比值,表示水流中压强相似关系。水轮机中,压差力是最重要的作用力,压强和空化现象有关系。因此欧拉数相等是水轮机模型试验必须满足的条件。
雷诺数Re:惯性力与黏性力的比值。反映到水轮机中可以用HD来表征。对于水轮机来说,当原型和模型尺寸比例比较大时,要保持雷诺数Re相等即HD为常数在实验室中是很难实现的。从水力摩阻分析,雷诺数达到相当大后,流道中摩擦阻尼系数仅和相对粗糙度有关,而和雷诺数无关,这个区域即阻力平方区,流态自行模拟。因此,在模型试验中仅规定了最小雷诺数。因雷诺数Re不相等,所以需要对模型的效率试验结果进行修正。
弗劳德数Fr:重力与惯性力的比值。重力对速度分布的影响甚微,水轮机模型试验可不考虑弗劳德数Fr相等。
2.2.2 模型试验方法和标准
2.2.2.1 模型试验方法
根据相似理论,水轮机相似的充分必要条件是:水轮机的过流部分形状相似,几何尺寸成比例,同时单位转速相等。此时水轮机流道中对应点的速度三角形相似,单位流量、单位功率和比转速分别相等,效率可进行修正。按照相似理论,可以在试验室用尺寸较小的模型水轮机在较低水头下模拟大尺寸和高水头的原型水轮机。
水轮机模型试验台由机械管路系统、电气系统、测试系统和辅助系统组成。机械管路系统由水泵、管路、阀门、压力罐、静压轴承、试验台架等组成;电气系统由电动机、测功机、电气调速和控制系统、变压器等组成;测试系统由传感器及其原级标定设备、数据采集系统、计算机及其软件等组成;辅助系统由试验台控制系统、抽真空设备及其控制系统、供油设备及其控制系统、阀门控制系统等组成。
2.2.2.2 模型试验标准
水轮机模型试验依据的标准有IEC 60193《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》、IEC 60609《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机汽蚀损坏的评定》和GB/T 15613《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》、GB/T 15469《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机空蚀评定》。
龙滩水电站水轮机模型试验及验收试验按供货合同和IEC 60193、IEC 60609标准进行。
2.2.3 水轮机技术要求
电站按正常蓄水位400.00m设计,按初期蓄水位375.00m建设。水轮机设计和制造应能适应两期水位,即能从前期375.00m水位,过渡到后期400.00m蓄水位运行,确保在两期水位下均能安全、稳定、高效运行。
2.2.3.1 特征水位
龙滩水电站特征水位见表2-13。
表2-13 特征水位表
2.2.3.2 电站水头
龙滩水电站水头见表2-14。
表2-14 电站水头表
2.2.3.3 性能保证
(1)水轮机效率。水轮机在各特征水头与功率条件下的效率、加权平均效率及最高效率保证见表2-15。
表2-15 水轮机效率保证值
(2)水轮机功率。水轮机以额定转速运行时,水轮机发功率612.0MW、714.0MW和790.0MW的最小净水头分别为125.00m、140.00m和148.00m。原型水轮机功率和导叶开度见表2-16。
表2-16 水轮机功率和导叶开度值
(3)空化系数。在各特征水头与功率条件下空化系数见表2-17。
表2-17 空化系数表
(4)转速与飞逸转速。水轮机额定转速107.1r/min。在最大水头179.00m时,最大飞逸转速保证不超过214.0r/min。
(5)水推力。在最大净水头下,转轮密封为设计间隙时,最大水推力正常工况下保证不超过810t,非正常工况下保证不超过1460t。
(6)尾水管压力脉动。尾水管压力脉动频率和混频双振幅(峰—峰)值保证不大于表2-18值。
表2-18 尾水管压力脉动频率和混频双振幅值
续表
(7)叶道涡。叶道涡发展线不出现在保证的水轮机稳定运行区域内。叶道涡发展线定义为叶道涡已在所有叶道内出现,叶道涡位于叶道中间。
2.2.4 模型试验装置及试验误差
2.2.4.1 模型水轮机
模型水轮机主要参数如下:
(1)转轮直径:359.37mm、327.13mm。
(2)转轮叶片数:13个。
(3)固定导叶数:22个。
(4)活动导叶数:24个。
(5)活动导叶高度:0.08182m。
(6)活动导叶分布圆直径:0.40227m。
(7)尾水管高度:1104.3mm。
(8)蜗壳进口断面面积:0.12285m2。
(9)尾水管出口断面面积:0.444004m2。
(10)原形模型比例:22:1。
2.2.4.2 试验误差
模型试验的误差包括两个方面,一是试验台的测量仪器和设备的系统误差与率定误差,二是随机误差。其中,系统误差主要考虑流量测量误差EQ、水头测量误差EH、力矩测量误差ET、转速测量误差En,经分析计算为0.185%。随机误差主要考虑典型工况下模型效率测量的误差,经分析计算为0.091%,水轮机模型试验台综合误差率为0.238%,满足供货合同和IEC规定。
2.2.5 模型试验
水轮机模型试验分为两部分,即水轮机模型初步试验和水轮机模型验收试验。水轮机模型初步试验由VSH/SHEC进行并提交初步试验报告。审查并基本同意模型初步试验报告后,再进行水轮机模型验收试验,验证水轮机的水力性能指标是否满足合同要求,验收后的模型试验结果为水轮机水力设计和原型水轮机能量指标保证值和机组稳定性的依据。
2.2.5.1 水轮机效率试验
根据供货合同规定,模型水轮机效率试验在无空化条件下进行,试验水头30.00m。在初步模型效率试验的基础上,进行了模型水轮机最优效率点的验收试验、6个导叶角度Δγ为14°、18°、20°、24°、28°、32°下的等导叶开度效率试验。
(1)模型最优效率:选择模型水轮机最优效率点附近的3个导叶角度Δγ为20°、21°、22°进行效率试验,根据3个开度下效率试验结果的包络线确定模型水轮机最优工况点,然后在该工况点(导叶角度Δγ=21°、单位转速n11=67.39r/min、单位流量Q11=0.5414m3/s)下连续进行11次效率试验,取11次试验结果的算术平均值作为模型水轮机最优工况点效率。试验结果见表2-19。
表2-19 模型水轮机效率验收试验结果表
(2)特征点效率:原型水轮机运行水头H=140.00m和H=125.00m功率保证工况点下模型效率根据6个导叶开度下的效率验收试验结果,经插值计算得出。试验结果见表2-19。
(3)加权平均效率:等导叶开度效率验收试验结果与初步效率试验结果比较在试验误差范围以内,因此加权因子点的模型效率验收值采用初步试验结果。试验结果见表2-19。
2.2.5.2 水轮机空化试验
龙滩水电站模型水轮机初步试验中已进行了全面的空化试验。为验证模型初步试验结果和见证验收水轮机大负荷工况的空化性能,并检查在水轮机小负荷区域的空化性能趋势,选择了6个运行水头,共7个工况点进行了空化试验。验收试验工况点及试验结果见表2-20。
表2-20 两个不同基准高程的空化特性试验结果
图2-4 IEC 60193定义的Zc与Zr
(1)空化系数基准高程选择。按照供货合同规定,空化系数的计算基准高程为导叶高度中心线(Zr)。依据IEC 60193的规定,在龙滩水轮机初步模型试验中采用了转轮出水边背面易发生翼型空化部位的高程(Zc)作为空化系数的计算基准高程。Zc与Zr的关系如图2-4所示。
依据合同规定并兼顾复核初步试验结果,验收试验要求VSH实验室在以Zc作为空化系数的计算基准高程的条件下进行空化验收试验的同时,换算到以Zr作为计算基准高程的空化系数,并提供比较结果。表2-20为两个不同基准高程的空化系数比较计算结果。
(2)初生空化系数和临界空化系数的确定按照合同规定,模型试验临界空化系数定义为随空化系数的减小效率下降0.2%的工况点;初生空化系数为有2个叶片表面出现2个以上空泡时的空化系数值。验收试验点的临界空化系数和初生空化系数试验结果与初步试验结果相符合。
(3)试验结果分析。结果见表2-21。
表2-21 合同规定的空化系数及吸出高度与试验结果比较
① 导叶中心线至下游尾水位的高差。计算采用的尾水位是224.20m。
表2-21表明,临界空化系数均满足合同规定。
2.2.5.3 叶片头部空化观测及转轮叶道涡观测
混流式水轮机转轮叶片头部负压侧空化发生在水轮机高运行水头区域,叶片头部正压侧空化涡带发生在低水头大负荷运行区域,转轮叶片叶道涡则发生在水轮机部分负荷运行区域。
水轮机初步试验中已进行了叶片进口空化流态观测和叶道涡观测试验。验收试验主要对转轮叶片头部进口负压侧空化线、叶片头部进口正压侧空化涡带初生和发展线、转轮叶道涡初生和发展线的复核及见证。试验在30.00m试验水头、电站空化系数下进行。
1.转轮叶片头部负压侧空化观测
该区域的脱流空化观测由光导纤维窥镜通过顶盖顶部伸到活动导叶出口与转轮叶片进口之间的水流中,当叶片头部负压侧脱流空化发生时,可以目视观测到叶片负压侧脱流状态。验收试验选择了3个导叶角度4个工况点进行见证验收试验,验收试验结果与初步试验提供的转轮叶片头部负压侧空化线相符合。
2.转轮叶片头部正压侧空化涡带观测
验收试验选择4个导叶角度4个工况点进行见证验收试验,其中导叶角度Δγ为28°、32°、34°时用于验证叶片头部正压侧空化涡带初生线,Δγ为36°用于验证叶片头部正压侧空化涡带发展线。验收试验结果与初步试验提供的转轮叶片头部正压侧空化涡带初生线相符合,在合同规定的水轮机保证运行范围内叶片头部正压侧无空化涡带发生;在导叶角度Δγ为36°的空化涡带发展线上,该工况点的模型水轮机运行空化及涡带噪声相对于初生空化线上的工况明显增强,空化涡带加强并出现连续涡带,但从转轮进口处的光导内窥镜中仍然未发现叶片头部区域脱流等空化流态。
3.叶道涡观测
转轮叶片叶道涡观测验收试验分为两个阶段。第一阶段是依据模型初步试验结果对叶片叶道涡初生线和发展线进行复核见证;第二阶段根据第一阶段中出现的对叶道涡发生线的定义问题及需进一步了解叶道涡初生线与发生线之间运行区域叶道涡成长情况而增加的试验工况和内容。
从第一阶段3个运行水头13个工况点下转轮叶片叶道涡观测,见证验收试验点与初步试验报告给出的叶道涡初生线相符合。
从观察叶道涡发展的10个工况点的试验看出13个叶道目视全部出现叶道涡,有的工况目视连续不同步,有的工况不同时出现,呈断续状,但成像反映均有部分叶道无叶道涡。验收试验认为叶道涡发展线的位置基本符合初步试验结果。
2.2.5.4 模型压力脉动试验
1.压力脉动试验的空化系数基准高程
合同规定压力脉动试验在30.00m试验水头、电站空化系数下进行。依据IEC 60193规定,选取尾水管高度的1/2作为压力脉动试验的空化系数计算基准高程进行了模型初步试验。
验收试验根据合同对空化试验的空化系数定义、IEC 60193规定和空化系数对压力脉动幅值的影响,同意在尾水管高度的1/2基准高程(DT)的电站空化系数复核压力脉动初步试验结果和考核合同保证值,在距转轮出口0.4D2高度位置(PT)和转轮叶片出口(Zc)进行比较试验。σp,DT为以尾水管高度的1/2为计算基准高程的电站空化系数;σp,PT为以距转轮出口0.4D2高度位置为计算基准高程的电站空化系数;σp,c为以转轮叶片出口为计算基准高程的电站空化系数。
2.压力脉动测点布置
(1)尾水锥管测点:据转轮出口0.4D2高度位置,上、下游侧各一个。
(2)尾水肘管测点:内、外侧各一个。
(3)导叶出口与转轮进口之间的顶盖测点:2个。
(4)蜗壳测点:1个。
3.压力脉动试验工况点及幅值特性
(1)在σp,DT下对初步试验的复核试验。选择原型水轮机运行水头H为107.00m、140.00m和179.00m从水轮机空载工况到压力脉动幅值较小区域(约80%额定功率)进行见证试验。经见证试验,在σp,DT下的各测点的压力脉动混频峰峰双振幅值复核试验结果与初步试验结果的偏差小于1%,频率特性符合初步试验结果,与合同保证值比较结果见表2-22。
表2-22 在σp,DT下尾水管压力脉动频率和混频双振幅试验结果与合同比较
(2)在σp,DT、σp,PT和σp,c下的压力脉动比较试验。为了验证空化系数基准高程对压力脉动值的影响,验收试验选择原型水轮机运行水头H为107.00m、140.00m和179.00m,从水轮机空载工况到压力脉动幅值较小区域(约80%额定功率)进行比较见证试验,试验工况点同σp,DT的复核试验。
由试验结果可见,在σp,DT和σp,PT下的压力脉动幅值没有明显的改变,说明在σp,DT和σp,PT空化系数值均处于压力脉动与空化系数的关系平缓区域。
在三个基准高程的空化系数σp,DT、σp,PT和σp,c下,转轮出口基准高程下电站空化系数σp,c的压力脉动幅值出现变化,但增幅不大。在空载到70%负荷范围,σp,c下尾水锥管的压力脉动幅值相对于σp,DT下增加0.3%~0.4%。说明在σp,c空化系数值已进入压力脉动与空化系数关系的峰值区域边缘。
2.2.5.5 补气试验
为了解和确定补气位置、补气量对减轻水轮机水压脉动的效果,验收试验进行了模型水轮机中心孔和顶盖补气见证试验。
1.水轮机中心孔补气见证试验
模型初步试验中进行了补气量为1.0%、1.5%的试验,当补气量为1.0%时,部分负荷下尾水管压力脉动幅值已明显下降。验收试验考虑到原型水轮机补气量条件的限制,进行了0.4%、0.7%、1.0%补气量的见证比较试验。从试验结果说明,中心孔补气量至少达到0.7%时,尾水管涡带压力脉动幅值相对于不补气条件时明显降低,效果稳定。
2.顶盖强迫补气见证试验
验收试验选择原型水轮机运行水头H为107.00m、140.00m、176.00m下,进行0.1%补气量的见证试验。试验结果表明,模型水轮机顶盖补气量0.1%时,在运行水头和保证功率范围内,顶盖补气对降低水轮机噪声有明显的听觉上的效果,但对降低压力脉动幅值效果不明显。
2.2.5.6 飞逸转速试验
飞逸转速试验在高空化系数σ下所有导叶开度范围内进行。验收试验选择运行水头107.00~179.00m最大负荷运行范围导叶角度Δγ为20.0°、22.0°、26.0°、30.0°、34.0°进行复核试验。对于飞逸试验由于受试验台条件限制和安全起见,固定模型水轮机转速1000.0r/min进行试验,试验水头在9.00m左右,在无空化条件下进行。同时选择导叶角度Δγ为21.1°、26.5°、31.9°进行导叶中心线基准高程下的电站空化系数比较试验。试验结果如下:
(1)在导叶角度Δγ为20.0°、22.0°、26.0°、30.0°、34.0°进行复核试验结果与初步试验结果符合。
(2)在电站空化系数下试验结果表明:在Δγ为21.1°时,电站空化系数下飞逸转速增加5.1r/min;在Δγ为26.5°时,电站空化系数下飞逸转速增加1.8r/min;在Δγ为31.9°时,电站空化系数下飞逸转速降低0.9r/min。
(3)按照原型水轮机运行水头179.00m最大负荷运行工况点计算,模型单位飞逸转速为118.5/min,换算到原型水轮机的飞逸转速为200.3r/min。满足合同保证的最大飞逸转速不超过214.0r/min的要求。
2.2.5.7 水轮机轴向水推力试验
轴向水推力通过测量推力轴承上下供油腔内的油压差得出。模型机上的顶盖上设有至尾水管的泄压管,在原型机运行水头范围内的正常运行和飞逸工况下所选定的运行工况点进行轴向水推力验证试验。分为转轮止漏环间隙为单倍和双倍设计值两种情况,模型验收试验证实了初步模型试验结果。
在导叶角度Δγ为21.1°,在最大净水头下,转轮密封为设计间隙时,最大水推力7800.8kN。
在导叶角度Δγ为13.0°,在最大净水头下,转轮密封为设计间隙时,飞逸工况下最大水推力5400.0kN。
单密封条件下的最大水推力小于双密封。分别为:5310.0kN(Δγ为21.1°)和3000.0kN(Δγ为10.0°)。
在正常转轮止漏环设计间隙,在所有规定的运行范围,在正常运行和飞逸工况下,试验得到并换算到真机后的最大轴向水推力小于合同保证值7946.0kN(810t)。
2.2.5.8 蜗壳差压试验
在选定的运行工况点进行涡壳压差验证试验。所得到的压差和流量关系与初步模型试验结果一致。
模型蜗壳差压与流量关系基本为线性关系,符合水轮机流体力学的一般原则。
2.2.5.9 模型水轮机通流部件尺寸检查
模型验收试验均对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的主要尺寸以及固定导叶、活动导叶、转轮叶片的型线进行了检验。所有尺寸与设计值比较都小于IEC 60193所规定的偏差范围。
2.2.6 模型水轮机验收试验结论
(1)龙滩模型水轮机验收试验结果与初步模型试验报告相符合,试验条件满足IEC 60193的要求,模型效率测试综合误差小于0.25%,满足合同规定。
(2)模型效率验收试验结果表明,原、模型水轮机加权平均效率、最优效率等主要考核指标均满足或优于合同要求,在低水头运行区域个别大负荷工况效率略低于合同保证值。
(3)按照模型水轮机转轮出口为计算基准高程的试验空化系数换算到原型水轮机后,满足合同规定。在龙滩合同规定的水轮机保证运行范围内叶片头部负压侧无空化发生,叶片头部正压侧也无空化涡带发生。
(4)按照原型水轮机运行水头179.00m最大负荷运行工况点计算,电站空化系数下模型试验飞逸转速换算到原型水轮机的飞逸转速为200.3r/min。满足合同保证的最大飞逸转速不超过214.0r/min的要求。
(5)在最大净水头下,最大水推力满足合同有关最大轴向水推力的规定。
(6)模型所有尺寸满足IEC 60193所规定的偏差范围。
(7)试验结果表明,中心孔补气量至少达到0.7%时,尾水管涡带压力脉动幅值相对于不补气条件时明显降低,效果稳定。顶盖补气量0.1%时,顶盖补气对降低水轮机噪声有明显的听觉上的效果,但对降低压力脉动幅值效果不明显。
(8)模型验收试验表明,除在低水头运行区域个别大负荷工况效率略低于合同保证值外,模型换算到原型的水力性能满足合同保证要求,其模型的几何型线和流道尺寸可以用于真机的设计、采购及制造。