1000MW混流式水轮机压力脉动分析
混流式水轮机压力脉动与振动稳定性研究进展
混流式水轮机压力脉动与振动稳定性研究进展桂中华;常玉红;柴小龙;王勇【摘要】混流式水轮机水力振动是影响水电站安全稳定运行的关键问题之一,研究混流式水轮机不稳定流诱发的压力脉动和振动问题,对于提高机组和水电站的运行稳定性有着十分重要的意义.本文着重介绍了水轮机压力脉动与水力稳定性模型试验、水轮机压力脉动与振动数值模拟以及水轮机转轮动应力与叶片裂纹研究方面的最新成果.在总结、分析现有研究成果的基础上,提出了混流式水轮机压力脉动和振动稳定性领域需要进一步研究的问题.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P61-65)【关键词】混流式水轮机;压力脉动;振动稳定性;动应力;现状【作者】桂中华;常玉红;柴小龙;王勇【作者单位】国网新源控股有限公司技术中心,北京100073;国网新源控股有限公司技术中心,北京100073;国网新源控股有限公司技术中心,北京100073;国网新源控股有限公司技术中心,北京100073【正文语种】中文【中图分类】TK733+.10 前言混流式水轮机转轮的振动，关系到机组能否正常运行，是水利水电建设中亟待解决的关键问题之一。
由于混流式水轮机转轮叶片是不可调的，在非设计工况下，转轮叶片的进口边附近将会发生脱流。
脱流产生后，容易使这个区的水流变得不稳定而引起压力脉动，同时转轮叶片出口漩流会在尾水管中形成涡带，尾水管涡带在周期性非平衡因素的影响下产生偏心，这种偏心的涡带运动产生的压力脉动[1]，通过反射、传递作用于转轮叶片。
混流式水轮机在多种水力激振力的共同作用下，产生叶片压力脉动和自激振动，严重时甚至导致叶片裂纹，威胁机组的安全运行。
近年来，国内外多家水电站相继出现了转轮叶片振动与裂纹，如俄罗斯的萨阳、美国的大古力，我国的岩滩、天生桥2级、李家峡、五强溪、大朝山等，水力稳定性诱发水轮机的振动问题引起了行业界的普遍关注[2]。
进入21世纪后，我国有一大批容量为700MW的特大型机组陆续投入运行，一旦发生振动或裂纹问题，其影响和危害将更为严重[3]。
水轮机压力脉动的原因
水轮机压力脉动的原因
1. 水轮机压力脉动的原因之一可能是水流不稳定啊！就好比你走路，一会儿快一会儿慢，能不别扭嘛！比如水轮机进水口的水流时急时缓，这压力能不脉动嘛！
2. 转轮设计不合理也是个大问题呀！这不就像给人穿了一双不合脚的鞋，能舒服吗？要是转轮的形状不适合水流，那压力脉动肯定就来了呀！
3. 水轮机内部的杂质积累多吓人呀！就像血管里有了血栓，能不影响正常运行嘛！比如说水里有很多泥沙之类的杂质堆积在水轮机里，压力能不波动嘛！
4. 运行工况不合适也会导致压力脉动哦！这就好像让你在大太阳下跑马拉松，你能吃得消嘛！像水轮机在超出它能力范围的工况下运行，压力肯定不稳定啦！
5. 管道系统有问题可不行呀！这跟人的血管有毛病一样严重呢！要是管道有堵塞或者泄漏，那水轮机的压力能不奇怪地脉动嘛！
6. 水轮机的安装不准确也得重视呀！这就像搭积木没搭好，能牢固嘛！比如安装的时候没对正，那压力脉动就容易出现了呀！
7. 水流中的气泡也是个捣蛋鬼哟！这就像汤里有很多气泡，看着就不平静嘛！当水中有大量气泡时，水轮机压力能不脉动嘛！
8. 机组的振动也会引发压力脉动呢！这就好像地震了房子会晃一样呀！要是机组本身振动厉害，那压力脉动肯定跟着来啦！
9. 操作人员的不当操作也会惹祸呀！这不跟开车开得乱七八糟一样嘛！要是操作人员瞎搞，水轮机的压力能正常嘛！
10. 外界干扰因素也不能小瞧哇！这就像你正专心做事，旁边有人一直捣乱，能不烦嘛！像外界的震动、噪声等干扰了水轮机，压力脉动就容易出现了嘛！
我觉得呀，水轮机压力脉动的原因真的很多很复杂，我们得认真去研究和解决，不然会出大问题的！。
三峡水轮机的三维非定常湍流计算和压力脉动分析
图３ＩＩ工况尾水管截面压力分布图图４ＩＩ工况尾水管测面２的压力分布随时间变化图４．３压力脉动幅值的计算结果分析在四个部分负荷工况下，分别对水轮机内的非定常流场进行了模拟，记录下引水部件４个测点和尾水管６个测点的压力随时问变化的情况，可以得到压力脉动的峰峰值，并计算出峰峰值与总水头的比值，即压力脉动的幅值。
对尾水管六个测点的脉动幅值数据进行分析，可知：（１）同一测面上２个测点的压力脉动幅值相差不大。
这说明，尾水管内压力脉动传播过程中，在同一截面上各点的脉动能量传播保持平衡。
（２）测面１上的点压力脉动幅值是测面２、３上的点压力脉动幅值的０．６倍左右，而测面２、３上的点压力脉动幅值比较接近，脉动较强。
这说明，尾水涡带从转轮出口开始发展，在弯肘段的２、３截面处发展到最强，最后流过支墩，直至出口。
因此，取测面２上２ａ、２ｂ点中压力脉动幅值较大者，作为尾水管内总体压力脉动的幅值，并与试验结果比较，同时将引水部件４个测点的压力脉动幅值记录下来，列表１如下所示。
同一工况下，比较引水部件４个测点和尾水管内的压力脉动幅值，可以看出：（１）尾水管内的压力脉动幅值最大，说明了，尾水管内的压力脉动是影响水轮机稳定运行和造成压力脉动及噪声的最重要因素，需要通过合理的水力设计，降低尾水管内的压力脉动。
（２）尾水管内的压力脉动幅值最大，转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动幅值依次减小，说明了，尾水管涡带是水轮机中压力脉动的最主要脉动源，它的压力脉动在水轮机中从尾水管向上游传播，造成了从尾水管到引水部件压力脉动的逐渐减弱。
（３）尾水管内的压力脉动，大部分工况下计算结果和试验结果接近，只在工况ＩＩ预测出更大的压力脉动，说明了计算预测压力脉动的准确和安全性。
表ｌ四个部分负荷工况下水轮机各测点压力脉动幅值计算结果及与试验的比较４．４压力脉动频谱的计算结果分析在四个部分负荷工况下，记录下备测点的压力随时问变化的计算结果，并对这些信号进行三峡水轮机的三维非定常湍流计算和压力脉动分析作者：邵奇， 刘树红， 戴江作者单位：邵奇,刘树红(清华大学热能工程系)， 戴江(国长江三峡工程开发总公司)本文链接：/Conference_5701389.aspx。
浅谈混流式水轮机压力脉动
浅谈混流式水轮机压力脉动谈混流式水轮机尾水管压力脉动[摘要]发电厂所关心的三大问题是效率、稳定性和空化空蚀。
而目前，水轮机的效率已经达到90%以上，抗空蚀性能也大幅提升，因此水轮机的稳定性显得越来越重要。
水轮机尾水管压力脉动是影响机组稳定性的主要因素之一，其不仅会引起机组的振动、出力摆动、叶片裂纹和尾水管壁撕裂等，当压力脉动剧烈时甚至会引起相近机组或厂房的共振，直接威胁到电站的安全运行。
[关键词]混流式水轮机；尾水管；压力脉动；涡带Study on the pressure pulse in the Draft Tube Of Francis Turbine Key Words:Francis turbine;draft tube;pressure fluctuation;vortex Abstract:The pressure pulse in the draft tube of Francis turbine brings on the unsteady operation for hydro_power unit.Moreover,the severe pressure pulse will threaten the safety of powerstation.Researches have unveiled that the eddy in the draft tube is the principal reason to the unit vibration.So it is important to solve the problem of pressure pulse based on the study of vortex.一、压力脉动压力脉动是相对循环压力脉动而言的，所谓压力脉动就是压力不均匀的作用于被作用对象上，在某个部位有集中或是较大的压力，且这种压力单次持续的时间不长，有可能呈现一定的周期性。
1000MW机组闭冷水压力异常波动的原因分析与对策
1000MW机组闭冷水压力异常波动的原因分析与对策发布时间：2021-12-09T10:11:31.758Z 来源：《电力设备》2021年第9期作者：徐海燕朱雷[导读] 作用是向汽轮机、锅炉、发电机的辅助设备提供冷却水，带走相关辅助设备产生的热量。
（国家能源集团谏壁发电厂江苏镇江 212006）摘要：本文介绍了国内某1000MW燃煤机组闭式循环冷却水作用与配置情况,对机组正常运行时闭冷水压力产生异常波动的过程和原因进行分析，并对以后机组运行出现类似的异常情况给出处理经验和方法，保证机组安全运行。
关建词：闭冷器、压力波动、闭冷泵、闭冷水、开冷水、联锁1、闭式循环冷却水系统简单介绍闭式循环冷却水（闭冷水）系统是一个闭式回路并相对独立的循环冷却水系统，采用除盐水作为冷却介质，用开式循环水（开冷水）冷却进行冷却。
系统设2*100%容量的闭式循环冷却泵，简称闭冷泵，和2*100%容量的板式热交换器，简称闭冷器。
作用是向汽轮机、锅炉、发电机的辅助设备提供冷却水，带走相关辅助设备产生的热量。
闭冷泵型式为单级双吸卧式离心式，型号为：400CS-45，密封型式为机械密封，额定流量2300m3/h，扬程45m，效率84%，轴功率337kW。
A泵为工频定速泵，B泵为永磁调节的变速泵。
闭冷器板片材质采用316不锈钢板，宽流道结构，板片间距12mm以上，在污染系数为0.85的情况下，仍能保证闭冷器的换热性能，并留有20%的余量。
2、闭冷水压力异常波动情况介绍异常工况一：某日中班，准备B闭冷器恢复作备用，先派副职至就地关相关放水门，开相关放空气门，并检查B闭冷器本体正常。
19时57分，开B闭冷器闭冷水进水门2闪进行充压，就地检查B闭冷器闭冷水侧空气门无空气放出，B闭冷器本体无异常，DCS显示闭冷水母管压力无变化，19时58分，继续开B闭冷器闭冷水进水门1闪进行充压，发现闭冷水母管压力大幅下降（闭冷水压力从0.63MPa最低降至0.26MPa），闭冷泵A联动（母管压力0.4MPa联动闭冷泵），就地汇报B闭冷器波纹板连接处漏水，立即关闭B闭冷器闭冷水进水门。
尾水管压力脉动浅析
尾水管压力脉动浅析(美) Falvey H T[摘要] 尾水管是水轮机的组成部份，它的性能会阻碍机组的效率。
混流式水轮机尾水管中的不稳固流动，即所谓的压力脉动，会引发功率的摆动和振动。
了解这种脉动有助于对其进行有效地预防。
[关键词] 混流式水轮机；尾水管；压力脉动混流式水轮机过流部份由蜗壳、固定导叶、导叶、转轮和尾水管组成。
图l为这些部件的组合图。
蜗壳、固定导叶和导叶引导水流以最小的能量损失进入转轮。
导叶操纵通过水轮机的流量。
尾水管呈扩散形，用来增加水轮机的净水头，从而取得更多的能量。
图l 由蜗壳、固定导叶、导叶、转轮和尾水管组成的混流式水轮机装置(尾水管的性能会阻碍机组的综合效率)水轮机的功率等于转轮转换的动量矩。
在最高效率点，离开转轮的动量矩理论上应等于零，即水流流出转轮进入尾水管时是无旋的。
但事实上，在最高效率点，水流具有小的环量，但是这种小的环量引发的转轮效率损失比由尾水管效率增加的补偿要大。
部份负荷时，进入尾水管的水流和转轮的旋转方向相同；过负荷时，水流的旋转方向那么和转轮相反。
若是进入尾水管的环量过大，就会进展成不稳固的尾水管压力脉动。
尾水管压力脉动在部份负荷和过负荷工况都能发生，它会引发压力脉动，从而致使功率摆动、噪声、压力钢管共振和振动。
文中，作者试图提供一篇有关尾水管压力脉动的近代情形综述。
1969年前，对尾水管压力脉动仅明白两点：第一，压力脉动是由尾水管中螺旋形涡带引发的；第二，压力脉动预期的频率和有关现象能够用一个公式来计算。
那个公式是由AC(Allis-Chalmers)公司的实验工程师Rheingans W I提出的。
cnf (1) 式中f——压力脉动的频率，Hz；n——水轮机转速，r/s；c——3．2～之间的某一数值。
1969年，密苏里-哥伦比亚大学教授Cassidy J J，从事一项丹佛垦务局的福特基金项目，旨在加深对尾水管压力脉动的熟悉。
他将尾水管压力脉动现象、频率和振幅与水轮机流量和几何形状参数联系起来，实验是利用空气作为介质进行的。
1000MW核主泵水力计算与压力脉动分析
科学技术创新2020.231000MW 核主泵水力计算与压力脉动分析霍泽宇（哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150000）核主泵又叫做核电站反应堆冷却剂主泵，是核电站系统的重要组成部分之一，主要功能是为核反应堆冷却剂提供循环的动力，核主泵的运行既要满足水力的功能性要求，保证运行的稳定，又要考虑到压力脉动的影响。
核主泵内部结构较为复杂，受到叶顶间隙和轮毂旋转等边界因素的影响。
本文通过试验，对轴流式核主泵进行研究，主泵由泵壳、叶轮罩、导叶以及叶轮等部件组成，结构见图1。
首先采用稳态方法计算栗整机流场，将数值与试验值对比分析，确定CFD 数值计算方式的准确，然后又在计算中设置15个压力脉动监测点，用来研究主泵内部的压力脉动规律等情况。
1泵参数及模型1000MW 核电机组轴流泵叶轮设计参数为:设计流量Q=23790m 2/h 、扬程H=97.2m 、运行转速n=1484r/min 、比转速n,=450。
叶轮有5个叶片、14个导叶片。
轴频率f=24.77Hz 、叶轮通过频率fy=123.83、导叶通过频率fd=346.7。
根据参数建立计算模型，由叶轮罩、叶轮、导叶和泵壳组成。
2稳态核主泵水力计算2.1网格及边界条件主泵水力网格的数量以及分布情况对计算结果都会产生一定的影响，直接关系到计算过程中主泵运行的稳定以及数值计算结果的准确。
模型计算中采用的是六面体网格，在旋转部件、流动比较剧烈的位置以及静态壁面等地方都用加密的网格控制。
网格如图2。
流体模型采用的是RNG k-ε模型，进口区域指定了流量，出口区域设定压力边界，壁面无滑移边界。
2.2结果分析在核主泵中，冷却用水从泵壳的进口到出口这一流动过程中是具有一定的能量变化的，图3显示的是主泵剖面压力分布情况。
从图3可以看出，在泵进口到叶轮前阶段之间冷却水压力损失，在叶轮的入口处压力最小，然后叶轮旋转对冷却水开始作用，冷却水的压力随之加大，而后冷却水经过导叶，导叶将冷却水整流并将水速转化为压力能，此时冷却水的压力处于最强，最后冷却水流出泵口，压力逐渐降低。
《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》国际标准项目研究
682019.05.DQGYSTANDARDIZED SYNTHESIS ‖标准化综合一、混流式水轮机发展及国内外技术情况分析水电开发是世界上许多快速经济增长体的增长战略的重要组成部分，在全球100多个国家都有水电开发，约占全球电力生产的16.4%。
水力发电占全球储能能力的95%以上。
根据国际水电协会（IHA）的数据，2017年，全球新增装机容量达219GW，中国再次占据了新调试项目的最大份额。
个体增长最大的五个国家分别是中国（9.1GW）、巴西（3.4G W ）、印度（1.9G W ）、葡萄牙（1.1G W ）和安哥拉（1.0GW）。
目前，全球总装机容量已达1267千兆瓦，清洁电力约为4185太瓦时（tWh），占可再生能源发电量的三分之二。
目前全球有100多个抽水蓄能水电项目正在建设中，总容量约为75GW。
到2030年，这些项目将使现有全球存储容量增加50%，达到近225GW。
根据能量转换的特征，水轮机分为反击式和冲击式两种。
反击式水轮机的水流体动能和势能发生变化，而冲击式水轮机仅利用水流的动能发生变化。
在水电站中，反击式水轮机中的混流式水轮机由于适应水头和流量范围广、结构简单、运行稳定、效率高等特点，在建设水电站已经使用的水轮机中占有比重很大。
当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》 国际标准项目研究每年出口产品在5亿美元左右。
作为世界上水力发电的大国，中国在混流式水轮机从模型机到原型机的压力脉动换算方面有丰富的经验和先进的技术。
同时，由于大型水电站的建立，中国掌握着很多其他国家所无法得到的试验数据。
二、国际标准项目研究基础分析IEC/TC4（水轮机委员会）是国际电工委员会（IEC）所属委员会，创建于1913 年，是IEC 第一批成立的4个委员会之一。
IEC/TC4主要任务是负责编制、定期审查和更新国际标准和技术报告，标准和技术报告内容包括水轮机、蓄能泵和水泵水轮机以及与水力发电相关设备的设计、制造和修复、调试、安装、测试、操作和维护等。
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1000MW混流式水轮机压力脉动分析
随着能源工业的发展,随着工艺技术的日趋成熟,中国水电工业已进入电网峰值高、机组装机容量大、集成网络化管理的蓬勃发展时期。
目前在建的白鹤滩电站建成后,单机容量将超过百万千瓦,总装机容量将位列三峡电站之后,成为国内第二大水电站。
受运行条件的限制及电网实际需求的不同,混流式水轮机经常要在偏离设计工况下运行,由此引起的运行不稳定问题一直是行业研究的重点课题。
作为考核水轮机稳定性的重要衡量标准,压力脉动性能也就成为研究的重点。
本课题正是基于白鹤滩电站的模型混流式水轮机,利用数值模拟的手段,对不同单位转速,不同开度的工况进行非定常数值模拟,详细分析内部流动机理,得到压力脉动的特性及其在全流道内的传播规律,并得到转速及开度的变化对压力脉动的具体影响,主要研究内容如下:（1）在同一开度（a<sub>0</sub>=8.47mm）不同单位转速下,针对不同工况点进行非定常计算,找出各流域内压力脉动的主频、次频、二次频等,对各频率相关性进行分析,研究各流域内压力脉动特性及沿流向的传播规律,并对比各工况得出转轮转速对压力脉动幅值及频率的影响规律;（2）在同一单位转速(n<sub>11</sub>=5 8.8 r/min)下,改变活动导叶开度,针对不同工况点进行非定常数值模拟,得出各流域压力脉动特性,并得到压力脉动沿全流道进行传播的变化规律,探究导叶开度对压力脉动峰值及主要频率的影响规律,结合计算得到的速度场、压力场及涡量场,分析各流域内的压力脉动源的产生机理。
（3）在变流量工况下,得到各流域内压力脉动连续变化趋势,结合所得到流场分析该工况下的流动状态,并与定流量工况进行比较,分析压力脉动特性的异同。
本文的研究结果表明,压力脉动主要频率受导叶开度及转轮转速的影响,在全流道内既向上游传播又向下游传播,并沿途衰减或增加。
小开度时,随转速增加,压力脉动幅值整体增加。
在小开度下,低转速及高转速时表现为尾水涡带的低频压力脉动,中转速下表现为无叶区转轮叶片通过频率。
而在大开度下,压力脉动的幅值整体减小,这表明开度减小,压力脉动特性逐渐明显,脉动程度更剧烈。
在变流量下,流量的持续增加使全流道内压力脉动的振幅发生巨大改变,显著高于同开度同转速下的定流量工况。