CN112100772B - 补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法 - Google Patents

Abstract

补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，包括以下步骤；1)收集资料；2)全负荷段转轮出口环量计算；3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算；4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况；5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值；6)进行两种补气工况稳定性试验；7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估。本发明可以计算全负荷段压力脉动特性，计算方法在满足精度的情况下较为简便，能作为评估机组稳定性的重要手段。

Description

补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法

技术领域

本发明涉及水力机械故障诊断技术领域，特别涉及补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法。

背景技术

混流式水轮机在部分负荷段容易出现尾水管涡带而引起的振动现象，机组的类型及过流部件的特殊形式决定了影响效果的差异性。在过流通道内，尾水管压力脉动幅值最大，向上逐步呈“递减性”地传播。不稳定的流态造成的非定常作用力会对转轮、顶盖、导叶等重要部件作用，从而引发过水部件及机组的颤抖、共振、强噪音等恶劣运行工况的出现，严重时会导致叶片裂纹、止漏环磨损等问题，直接危及电站安全运行。

对于已经投运的机组，采取一定的措施削弱尾水管内压力脉动涡带影响程度,降低水轮机压力脉动,改善水力稳定性,扩大机组可被调度的负荷运行区间已成为水轮机水力研究的重要目标之一。国内机组主要采用强迫补气和自然补气作为改善方法。强迫补气法主要由顶盖或底环利用压缩空气进行补气，运行维护成本较高，主要应用于轴流转桨式机组以及高水头机组等；自然补气的方法有：大轴中心孔补气、十字架补气、短管补气等；其原理是利用大气压原理及机组的转轮出口产生的真空度形成压差而进行自然补气，运行成本较低，具有广泛的市场应用。

近年来对涡带的研究手段主要有数值计算法和公式法两种，数值计算的方法主要通过有限元软件对泄水锥行线、尾水管流线、各断面压力、涡带及流体的涡流黏度值的变化情况进行计算，计算结果受边界条件的影响，计算方法也较为繁琐。传统公式法根据大量统计数据进行归纳，用单一的数值描述整个动态过程，缺少针对水轮发电机组全负荷段尾水管压力脉动的动态特性研究，也缺乏对真机补气效果的试验分析。

如何对补气的效果进行评估是个综合性的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，可以计算全负荷段压力脉动特性，计算方法在满足精度的情况下较为简便，能作为评估机组稳定性的重要手段。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，包括以下步骤；

1)收集资料；

2)全负荷段转轮出口环量计算；

3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算；

4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况；

5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值；

6)进行两种补气工况稳定性试验；

7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估。

所述的步骤1)具体为：

收集转轮型号、转轮标称直径、叶片数量及额定流量。

所述的步骤2)具体为：

2.1由叶片出口速度三角形计算绝对速度切向分量，水轮机叶片出口速度三角形由绝对速度v₂、相对速度w₂、牵连速度u₂组成，

V_u2为转轮出口绝对速度沿圆周方向的分量，V_m2为转轮出口绝对速度沿法相方向的分量，r₂是转轮出口半径，A为过水面积，R₂为尾水管进口半径，Q₀为额定流量，Q为实际流量，β₂为叶片出口安放角，ω₀为发电机旋转角速度，ω为涡带旋转角速度。

当机组运行在最优工况点附近时，绝对速度在圆周的分量v′_u2＝0，随着负荷的降低，绝对速度由v₂点移动到v′₂，相应的产生于旋转方向相同的v′_u2＞0的正环量；同理随着负荷的升高，绝对速度由v₂点移动到v″₂，相应的产生于旋转方向相同的v′_u2＜0的负环量；由于

转轮出口环量大小与机组流量有直接的关系，在非设计工况下：

2.2计算出口涡带在不同半径上的环量值，再根据出口环量的积分是在r₂≤r_i≤R₂区间内，计算转轮出口环量的平均值Γ′表达式：

所述的步骤3)具体为：

通过环量推导得出的涡带频率的方法是从尾水管压力脉动的成因出发，通过全负荷段压力脉动计算公式可以较为完整的体现机组各负荷段的尾水压力脉动表达式：

△H为尾水管压力脉动摆动幅值；f_p为尾水管压力脉动摆动频率；n为机组转速；r₂为叶片出口半径；R₂转轮出口半径；涡带相对坐标；Q为流量；结合不实际转轮及尾水管参数估算各负荷段压力脉动的频率。

所述的步骤4)具体为通过将补气管路设置风速传感器用以监测风速的变化，选择一段直管段，将风速传感器安装于管道中间，通过由风速的换算得到空气流量的方式将所得的数据引入动态监测***，根据实际布置形式，采取管段中可以临时关闭及打开的措施，拟定补气和非补气两种工况。

所述的步骤5)具体为：

将被试机组进行真机带负荷试验，统计两种补气工况尾水管压力脉动峰峰值△H；

计算水轮机真机水头H；

通过对实测数据的压力脉动峰峰值与实际水头的比值就可以评判压力脉动作用于机组的应力数值，由于水流圆周速度分量和涡核偏心距随负荷的变化而变化，S的数值需要通过实测数据来体现，S＝ΔH/H。

所述步骤6)具体为：

61)分别将水电机组的水导轴承摆度信号、顶盖振动信号、压力脉动信号接入在线监测***；

62)将补气管路中设定好的位置用填充物临时封堵，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值；

63)撤出填充物并恢复管路，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值。

为探明大轴补气对水轮发电机动态运行的影响效果，将发电机补气管路添加临时隔板，模拟补气和非补气两种工况，通过各负荷段尾水管压力脉动、机组振摆情况及效率评价补气的效果。

所述步骤7)的具体操作过程为：

71)将全负荷段数值计算的尾水管主频频率、经验公式计算的主频频率以及各经验公式的数据与真机试验的结果进行统计；

72)将两种补气工况的相对脉动幅值进行统计；

73)将两种补气工况的振动及摆度特性数据进行比对，对补气效果进行综合评判。

本发明的有益效果：

1、本发明中所述的方法可以作为监测手段对尾水管压力脉动的作用效果进行评估，避免由于尾水管涡带产生的振源对机组特性的影响，也为评估补气效果进行量化的计算，避免机组由于尾水脉动引发振动而发生事故。

2、本发明提出了评估全负荷段尾水管压力脉动的方法，从转轮出口速度三角形出发，推导出环量公式。由环量公式进而推导出尾水管压力脉动主频公式。并引入相对压力脉动幅值对脉动压力的标定。克服原有计算方法的单一性，分析结果全面、科学，可以为脉动特性分析、振动故障诊断和预报提供依据。

3、本发明中所述的评估***采用模拟计算和补气工况运行振动数据相结合的方法对机组动态特性进行评估，互相验证，准确性高。评估结果可以准确的反应补气效果，为机组的稳定运行和状态检修提供准确的依据。

附图说明

图1水轮机尾水管流道涡带示意图。

图2转轮出口速度三角形图。

图3尾水管压力脉动频率图。

图4尾水管压力脉动相对幅值图。

图5补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，主要由非最优工况转轮出口流速推导，尾水管压力脉动主频计算，尾水管压力脉动相对幅值计算，两补气工况对比及动态试验组成。

结合一起实例，本发明所述的立式水轮发电机导轴承支架振动特性评估，包括以下步骤：

1)收集资料，

2)全负荷段转轮出口环量计算，

3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算，

4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况，

5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值，

6)进行两种补气工况稳定性试验，

7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估。

步骤1)的具体操作过程为：

收集该转轮型号、转轮标称直径、叶片数量及额定流量等重要参数，主要参数见表1。

表1设备主要参数表

步骤2)的具体操作过程为：

21)由叶片出口速度三角形计算绝对速度切向分量，转轮出口环量大小与机组流量有直接的关系，在非设计工况下：

22)计算出口涡带在不同半径上的环量值，再根据出口环量的积分是在r₂≤r_i≤R₂区间内，计算转轮出口环量的平均值Γ′有：

步骤3)的具体操作过程为：

通过环量推导得出的涡带频率的方法是从尾水管压力脉动的成因出发，通过全负荷段压力脉动计算公式可以较为完整的体现机组各负荷段的尾水压力脉动表达式：△H为尾水管压力脉动摆动幅值；f_p为尾水管压力脉动摆动频率；n为机组转速；r₂为叶片出口半径；R₂转轮出口半径；涡带相对坐标；Q为流量；结合不实际转轮及尾水管参数就可以估算各负荷段压力脉动的频率。

步骤4)的具体操作过程为：

41)根据补气管路的直管段添加测量风速传感器；

42)将发电机补气管路添加临时隔板，模拟补气和非补气两种工况。

步骤5)的具体操作过程为：

51)将被试机组进行真机带负荷试验，统计两种补气工况尾水管压力脉动峰峰值△H；

52)计算水轮机真机水头H。

步骤6)的具体操作过程为：

61)分别将水电机组的水导轴承摆度信号、顶盖振动信号、压力脉动信号接入在线监测***；

62)将补气管路中设定好的位置用填充物临时封堵，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值；

63)撤出填充物并恢复管路，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值。

步骤7)的具体操作过程为：

71)将全负荷段数值计算的尾水管主频频率、经验公式计算的主频频率以及各经验公式的数据与真机试验的结果进行统计；

72)将两种补气工况的相对脉动幅值进行统计；

73)将两种补气工况的振动及摆度特性数据进行比对，对补气效果进行综合评判。

本方法是从转轮出口速度三角形对尾水管涡带的产生原理出发，通过对比两种补气条件下的尾水压力脉动主频值、相对压力脉动值，结合水导轴承摆度时域曲线，着重分析了补气对水力因素的影响效果，进而评估了补气对机组稳定性的影响程度。

本发明从尾水管涡带的产生机理出发,构建了全负荷段尾水管压力脉动计算方法，并与经验公式进行比对，总结了几种计算结果的特性。并利用该评估方法分别对两种补气工况进行分析，与稳定性试验结果比对得出了以下结论：

1.经过频率计算结果发现，全负荷段压力脉动计算方法与传统公式法在不同负荷段的计算差异性较为明显。两种补气状态下的尾水管脉动主频变化趋势基本一致。由于动态参数是随工况发生改变的，因此应用该公式有一定的局限性，但在40％负荷段以下、60％负荷段以上的区间内，全负荷段压力脉动计算方法与试验结果贴合程度较高，计算结果可以较为准确地反应影响效果。

2.从相对幅值数据分析发现，尾水管压力脉动的主要作用区域在40％负荷段以，在该区域内应用全负荷段压力脉动计算方法可以较为准确地反应压力脉的动态特性。两种补气工况时的尾水管压力脉动相对幅值变化趋势基本一致，补气作为一种必要手段对减小尾水管压力脉动作用效果有着积极地作用。

3.通过机组稳定性试验，对比了两种补气工况机组的动态运行品质。发现了水导轴承摆度参数受到尾水管压力脉动相对幅值的直接影响，既证明了数值模拟计算结果的可靠性，又揭示了补气对尾水管压力脉动的作用特性，为机组动态特性的研究工作提供了理论及数据支撑。

如图1所示：尾水管压力脉动产生于转轮出口部位，并在弯肘段形成最大作用情况。

如图2所示：水轮机叶片出口速度三角形由绝对速度v₂、相对速度w₂、牵连速度u₂组成，V_u2为转轮出口绝对速度沿圆周方向的分量，V_m2为转轮出口绝对速度沿法相方向的分量。在小流量的时候，转轮出口绝对速度由v₂移动至v′₂相应的牵连速度由w₂移动至w`₂，在大流量的时候，转轮出口绝对速度由v2移动至相应的牵连速度由w2移动至w``₂。

如图3所示：对比理论计算公式、经验公式、以及实测补气与非补气工况尾水管压力脉动频率随负荷变化的曲线。

如图4所示：对比补气与非补气工况尾水管压力脉动相对幅值随负荷的变化曲线。

如图5所示：评估方法的具体步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤；

1)收集资料；

2)全负荷段转轮出口环量计算；

3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算；

4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况；

5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值；

6)进行两种补气工况稳定性试验；

7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估；

所述的步骤1)具体为：

收集转轮型号、转轮标称直径、叶片数量及额定流量；

所述的步骤2)具体为：

2.1由叶片出口速度三角形计算绝对速度切向分量，水轮机叶片出口速度三角形由绝对速度v₂、相对速度w₂、牵连速度u₂组成；V_u2为转轮出口绝对速度沿圆周方向的分量，V_m2为转轮出口绝对速度沿法相方向的分量，r₂是转轮出口半径，A为过水面积，R₂为尾水管进口半径，Q₀为额定流量，Q为实际流量，β₂为叶片出口安放角，ω₀为发电机旋转角速度，ω为涡带旋转角速度；

当机组运行在最优工况点附近时，绝对速度在圆周的分量v′_u2＝0，随着负荷的降低，绝对速度由v₂点移动到v′₂，相应的产生于旋转方向相同的v′_u2＞0的正环量；同理随着负荷的升高，绝对速度由v₂点移动到v″₂，相应的产生于旋转方向相同的v′_u2＜0的负环量；由于

其中r₂是转轮出口半径，A为过水面积，可以看到转轮出口环量大小与机组流量有直接的关系，在非设计工况下：

2.2计算出口涡带在不同半径上的环量值，再根据出口环量的积分是在r₂≤r_i≤R₂区间内，计算转轮出口环量的平均值Γ′表达式：

所述的步骤3)具体为：

通过环量推导得出的涡带频率的方法是从尾水管压力脉动的成因出发，通过全负荷段压力脉动计算公式可以较为完整的体现机组各负荷段的尾水压力脉动表达式：

△H为尾水管压力脉动摆动幅值；f_p为尾水管压力脉动摆动频率；n为机组转速；r₂为叶片出口半径；R₂转轮出口半径；涡带相对坐标；Q为流量；结合不实际转轮及尾水管参数估算各负荷段压力脉动的频率；

所述的步骤4)具体为通过将补气管路设置风速传感器用以监测风速的变化，选择一段直管段，将风速传感器安装于管道中间，通过由风速的换算得到空气流量的方式将所得的数据引入动态监测***，根据实际布置形式，采取管段中可以临时关闭及打开的措施，拟定补气和非补气两种补气工况；

所述的步骤5)具体为：

将被试机组进行真机带负荷试验，统计两种补气工况尾水管压力脉动峰峰值△H；

计算水轮机真机水头H；

通过对实测数据的压力脉动峰峰值与实际水头的比值就可以评判压力脉动作用于机组的应力数值，由于水流圆周速度分量和涡核偏心距随负荷的变化而变化，S的数值需要通过实测数据来体现，S＝ΔH/H；

所述步骤6)具体为：

61)分别将水电机组的水导轴承摆度信号、顶盖振动信号、压力脉动信号接入在线监测***；

62)将补气管路中设定好的位置用填充物临时封堵，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值；

63)撤出填充物并恢复管路，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值；

所述步骤7)的具体操作过程为：

71)将全负荷段数值计算的尾水管主频频率、经验公式计算的主频频率以及各经验公式的数据与真机试验的结果进行统计；

72)将两种补气工况的相对脉动幅值进行统计；

73)将两种补气工况的振动及摆度特性数据进行比对，对补气效果进行综合评判。