火狐电竞火狐电竞十三 水力机械 1 概述 水轮机是一种将水能转变为旋转机械能的水力机械，它是水电站水能转换为 电能的主要设备之一。近年来，特别是20 世纪 90 年代以来，国际水轮机技术取 得了巨大的进步。尤其是 CFD （Computational Fluid Dynamics ）技术的成功应 用，使水轮机的水力性能得到很大改善，一大批新型高容量转轮的出现为新世纪 水电设备技术的发展带来了希望。与此同时，国内、外在水力振动与稳定性、水 电机组运行保障技术等方面也取得了较大进展，研制开发出了一系列较为先进的 水电机组状态监测系统，提高机组运行的稳定性。本文侧重于水力机械中水轮机 方面的最新研究进展，包括国内、外水轮机模型开发，水轮机内部流动数值模拟， 机组振动与稳定性测试及机组状态监测与故障诊断方面的最新研究成果。文中还 w 分析了水轮机相关技术存在问题以及未来发展思路。 w 2 本学科发展新动向和值得关注点 w 2.1 水轮机模型开发新进展 .i 2.1.1 混流式水轮机 w h 20 世纪 90 年代后，由于西方发达国家经济开发水电资源的日益枯竭和前苏 . 联的解体，西方发达国家和俄罗斯的水电开发规模锐减。与此同时，中国、巴西 c 等发展中国家的水电开发进入前所未有的大发展时期，中国、巴西成为世界水电 开发的中心。 o m 大容量、高效率的混流式水轮机是当前水电设备发展的主要方向。目前，国 内外已建、在建装设大型混流式水轮发电机组的电站主要有大古力、以泰普、三 峡、溪洛渡、龙滩、小湾等，机组容量上限基本上为 700MW 级，其中发电机最 大容量为三峡工程约 840MW。目前 700MW 级巨型水轮发电机组均属于中、低 水头段混流式水轮发电机组，具有尺寸大、转速低的特点。其中三峡电站机组运 行水头最小，变幅最大，转速最低，转轮直径最大(右岸哈电机组直径达 10.7m)。 未来一段时间内，我国的水电将以 500～700MW 为主。除在建的三峡电站以外， 一系列单机容量 500～700MW、直径 6～9m 的大型水电站（如溪洛渡、水布垭、 小湾、龙滩、拉西瓦和瀑布沟等）在 2010 年前后将陆续建成。规划中的白鹤滩、 乌东德水电站正在进行百万千瓦级水轮发电机组可行性研究，必将进一步推动世 447 界特大型水电设备设计制造技术的创新和发展。 近年来，巨型混流式水轮机开发重点从追求大容量、高效率,转向提高产品 质量，提高机组可用性、可靠性和产品的技术经济性能。随着 CFD 数值模拟技 术和计算机技术的高速发展，粘性流动计算技术趋于成熟。最新 CFD 技术在水 轮机水力设计中的应用，能够分析和了解水轮机转轮及通流部件的内部水流状 态，能对部件几何型线进行优化，全面提高水轮机的各项性能。国际许多公司应 用 CFD 技术，在转轮开发上取得了突破，设计出了一批高性能的水轮机转轮。 如 20 世纪 90 年代，Kvaerner 公司和加拿大 GE 公司针对我国大朝山、三峡等电 站，采用现代 CFD 技术，并进行广泛的模型试验，设计出了新型高性能的 X 型 叶片水轮机转轮。近 10 年来，水轮机行业在利用 CFD 技术不断提高混流式水轮 机容量、效率的同时，在机组稳定性研究上下足了功夫，转轮在空化、水力稳定 w 性等方面都取得了重大进展。当前，大型混流式水轮机的主要挑战是：宽广的稳 w 定运行范围、宽水头变幅、高能量特性和大出力、大尺寸的巨型混流式水轮机的 应用。 w 2.1.2 水泵水轮机 .i w 可逆式水泵水轮机的水力设计条件和结构型式与常规水轮机相比，均有较大 h 的差别。由于水泵水轮机用一个转轮作正、反方向运行，其转轮的固有特性决定 . 了水泵和水轮机两种运行方式不可能都处在最优工况范围。要解决好抽水和发电 c 两种工况在实际运行范围内的配合，有相当的技术难度，其设计制造的关键技术 o 问题有：①全流道水力设计和模型转轮开发，即设计出一个性能全面、适用于水 m 轮机和水泵两种运行工况，并且都具有较好的能量、空蚀指标和运行稳定性的模 型转轮；②水力过渡过程及机组起停控制技术；③主轴密封结构设计与密封元件 材料研究等。 从长远的发展看，抽水蓄能机组朝着经济性较好的高水头、大容量方向发展。 水泵水轮机技术是近 40 年来，随着抽水蓄能电站的建设逐步发展起来的。其中 美国、德国、日本、法国等发达国家在水泵水轮机设计制造方面处于领先地位。 目前单机容量最大的水泵水轮机为日本的神流川470MW 机组，水头最高的是日 本葛野川机组，水轮机最大水头 728 m，水泵最大扬程为 778 m 。已经建成的最 大的抽水蓄能电站为我国的广州抽水蓄能电站，总装机 2400MW，一期全套引进 法国机组，二期全套引进德国机组。当前，世界上有资格的大容量、高水头抽水 448 蓄能机组制造商主要有：伏依特－西门子（Voith －Siemens）集团、GE、阿尔斯 通（Alstom ）集团、奥钢联（VATECH －ELIN ）、东芝、日立和三菱等 7 家公司。 J.B.Houdeline 等人(2006)介绍了 Alstom 公司在抽水蓄能机组方面的业绩，以及取 得的最新成果，近年来 Alstom 公司运用包括试验室的模型试验在内的水泵水轮 机水力设计知识及 CFD 计算手段，使得水泵水轮机的水力性能大大提高了。尤 其是近期一些项目，模型试验或是在 Alstom 实验室进行如张河湾、宝泉、白莲 河、Afourer UR1&UR2(摩洛哥) 、Lamtakhong （泰国）及YangYang （韩国），或 是在瑞士洛桑 LMH-EPFL 中立实验室进行如惠州和 Alqueva （葡萄牙），均清楚 地显示出在抽水或发电工况具有非常高的效率水平及空化、脉动等特性。最近十 几年泵－水轮机生产厂商推崇单级泵－水轮机，单机水头已经达到 800m，基本 已到达极限。为了能适应更高水头的需要，法国电力于 1972 年便开始启动了可 w 调节双级泵－水轮机的开发计划。法国 Alstom 公司最近为韩国 YangYang 抽水蓄 w 能电站提供了可调节双级泵－水轮机，最高水头已达 1200m。 w 为了应对越来越多的市场制约，抽水蓄能电站的业主们正在不断地改进设备 性能，其中变转速技术可以任意调整机组转速，以保证能在不同的水头（扬程） .i 段高效率、安全地运行，为电网的稳定性作出更好的贡献。在日本，可变速抽水 w 蓄能机组发展很快，自大河内（Okavachi ）抽水蓄能电站采用这种机组以来，已 h 有数座新建及扩建的抽水蓄能电站选用了可变速机组。另外，日本正在研究拥有 .c 地下下库（地下 800～900m ）的地下抽水蓄能电站，也是抽水蓄能未来发展的有 价值的解决方案，以面对不断增加的环境限制。 o m 我国已建和在建的大容量可逆式蓄能机组全部由国外总承包。为了加快抽水 蓄能机组国产化的进程，国家已基本确定采用打捆统一招标模式，在采购可逆式 蓄能机组的同时引进机组设计制造的核心技术。 2.1.3 新型环境－友善水轮机 20 世纪后期，环境保护的呼声日趋强烈，使水电站水轮机转轮伤害鱼类的 问题浮出水面。目前估计有至少 10％的鱼类在经过水轮机时会受到机械伤害， 压力梯度过大伤害和负压伤害等。从环境保护和公众利益出发，有的国家已开始 就水电站鱼群安全通过问题进行立法。因此发明新型水轮机，使其向友善于生态 和环保的方向发展是人类社会努力的必然要求。 目前，国内外已有不少研究机构进行了新型亲鱼水轮机的研究，其研究热点 449 有：①鱼类在水轮机中流过时的损害机理研究；②研究水轮机新的设计标准，包 括水轮机的流速上限、压力梯度的最大上限，压力的最小值，满足过鱼空间的流 道要求等；③对已运行水轮机运行限制范围研究，即确定当前运行的水轮机对鱼 类损伤程度最小的运行条件；④新型环境—友善型水轮机的研究。美国是这一领 域开展研究较早的国家，1995 年美国能源部就已经启动了一项计划 AHGS 即新 型环境－友善型水轮机，目的是发展新型水轮机以满足改善河道中水质的要求和 鱼类的生存要求，期望水轮机对鱼类的损害最小或没有。英国碳基金公司支持的 一个研发亲鱼水轮机的项目，利用 CFD 和 STRISER 鱼类受伤预测模型等方法， 研究改进水轮机的水力与机械设计，以降低鱼类通过浆叶式水轮机的死亡率和受 伤率，并形成了一种新的设计理论。艾奥瓦洲立大学土木和结构工程系高德瑜提 出的新型低水头上流式水轮机系统，流动方向由下至上，流道为少叶片扩散式流 w 道，出流向上起暴气作用，其最大的优点在于可改善下游河道的水质并同时减少 w 水轮机对鱼类的损害。Alston 公司的工程师设计了“最小间隙转轮”，通过模型试 验证实，不仅降低了鱼类通过水轮机的死亡率，又不会降低浆叶式水轮机的效率。 w 2.2 水力机械内部流动数值模拟新进展 .i w 2.2.1 水轮机内部定常流动数值模拟h 最新 CFD 技术能较好地预测水轮机内部的定常流动，预测精度较高。CFD . 软件可以用来分析转轮在不同工况包括偏离最优工况时的流量、效率和功率等特 c 性，从而获得所设计转轮的综合特性图，预测其运行特性。另一方面，通过对不 o 同设计方案的比较，可以得出一些指导性的设计经验，更进一步提高转轮的能量 m 特性和空化性能。水轮机内部三维定常流动模拟已经从单个部件的计算发展为动 静叶轮间流动相互作用的计算，以及从水轮机涡壳、导水机构到转轮和尾水管的 全流道模拟。目前，CFD 技术已应用于水轮机的优化水力设计及性能预估中， 并在三峡、水布垭、小湾、溪洛渡等一些大型电站的水力设计中得到了广泛应用。 国外对水轮机 CFD 技术的研究已有相当长的历史，Albert (2002)领导的 GAMM 工作组就是早期应用 CFD 技术比较成功的例子。经过多年的发展，国外 CFD 分析和数值模拟预测技术在水轮机水力设计中的应用已较成熟，并到了实 用阶段，彻底改变了传统的水轮机水力开发过程，大大提高了水轮机水力设计的 可靠性，在水轮机水力开发中不再仅仅依靠模型试验进行多方案比较和优选，取 而代之以计算机数字仿真进行性能预测、方案比较和优选，大大缩短了水轮机水 450 力开发的周期，并极大地提高了水轮机水力设计的质量和技术含量。目前，CFD 分析已经成为水轮机水力设计的必需工具，某些转轮甚至不再需要进行模型试 验。 近年来，国内 CFD 技术在水力设计中的应用也基本成熟，并在工程实践中 取得了可喜的成绩。如通过三峡工程技术引进，东电和哈电分别引进了先进的 CFD 软件及配套计算机硬件，并成功的应用于对丰满、新安江、新丰江、丹江 口、东江、乌溪江等一批老电站改造项目进行设计，经过数值仿真和优化，效率、 能量、空化性能均取得了不同程度的进步。同时还应用 CFD 技术对溪洛渡、水 布垭、小湾、三峡右岸等电站的项目进行了前期论证工作；除混流式水轮机外， 还进行轴流式水轮机的 CFD 计算，且为尼尔基、葛洲坝、三门峡等电站开发了 一批新的轴流式水轮机模型。在可逆式水轮机的 CFD 计算方面也取得了进展， w 目前正在针对国内的抽水蓄能项目开展研究。 w CFD 技术已成为东方和哈电在水 轮机模型设计中不可缺少的重要工具。同时清华大学、华中科技大学等国内的一 w 些科研机构也已经应用 CFD 技术对水轮机（包括水轮机和泵）进行优化设计和 性能预测等研究。如原华中理工大学水轮机实验室韩凤琴 (2002)带领的课题组 对湖南省东江水力发电厂 .i 4 号机进行了整体解析，对其水力稳定性进行的分析， w 并提出了改善转轮性能的方案。中国农业大学的周凌九 (2000)也利用 CFD 软件 h 对混流式水轮机转轮内的流动及其能量特性进行分析。清华大学吴玉林、王正伟 .c 也都利用了 CFD 软件对水轮机（包括水轮机和泵）进行了性能预测和优化设计。 o 目前，对混流式水轮机主流定常流的解析已经比较成熟，对主流中各部分引 m 起的水力损失等能量特性的研究也比较多。混流式水轮机的整体水力损失，包括 主流的水力损失和流量损失与动力损失，而流量损失与动力损失是由于混流式水 轮机上、下迷宫环间隙内的流动而引起的。当前，国际上对这部分的损失主要是 通过经验公式来估计，同时对于上、下迷宫环的设计也是通过经验公式进行的， 迷宫环内部的流动现在也不是很清楚。 近年来水轮机中的间隙流动分析以及预估其引起的水力损失，成为水轮机流 动数值模拟的一个新的研究热点。1994 年，Baskharone 利用二维轴对称模型对 离心泵迷宫环内的流动进行了分析，并对迷宫环内流动引起自激振动进行了试验 研究；1999 年，Baskharone 改进了计算模型，考虑了主流对间隙流的影响，并 利用二维轴对称模型重新对离心泵迷宫环内的流动进行了分析。由于所用的模型 451 都是二维的轴对称模型，而迷宫环内流动是强三维湍流流动，其计算结果并不适 合于定量分析迷宫环间隙引起的流量损失和动力损失。日本神内川大学久保田乔 曾对混流式水轮机迷宫环内的流动进行了分析，但是并没有考虑道间隙流与主流 的相互作用，只是以主流的计算结果作为间隙流计算的边界条件来对迷宫环内的 流动进行解析及分析。Tallman，J.和 Lakshminarayana B. （2001 ）也曾对轴流式 水轮机内的间隙流进行了 CFD 数值模拟，并研究了间隙流对主流的影响，增进 了人们对间隙流的了解。Xiao Ruofu 和 Kubota Takashi 等人(2005)对水轮机上、 下迷宫环间隙流和主流进行整体解析，并分析了混流式水轮机下迷宫环间隙的内 部流动情况，下迷宫环中能量损失的分布以及下迷宫环间隙引起的流量损失及动 力损失，并讨论了不同间隙形状对于流量损失及动力损失的影响。 2.2.2 水力机械内部固液两相流及磨损预估研究 w 水力机械在含沙水流中运行，其流动本质是固、液两相流，其中固体颗粒的 w 浓度分布、颗粒的运动轨迹、流体的速度场分布都会不同程度的影响固体颗粒的 w 冲蚀磨损作用的过程和程度。为了详细了解固、液两相流中固体颗粒对过流部件 . 的冲蚀磨损作用，建立可靠完整的固、液两相流冲蚀磨损模型，对不同工况下的 i w 冲蚀磨损能给出合理的预测，必须研究固、液两相流的流场。进入 20 世纪 90 年 代后，随着计算机技术的发展和各种湍流模型的建立，以计算流体力学(CFD)为 h 基础的数值模拟方法，日益受到人们的重视，并得到了很大的发展。 （1）两相流模型与方法 .c o m 两相流是非常复杂的流动，要找到一个能适用于所有情况的模型几乎是不可 能的，为此通常不得不把实际问题分成若干情况，对于每一种情况使用一种最为 适合的方法来处理。目前国内外研究多相流的理论和方法主要有 3 种：①基于微 观运动的波尔兹曼方法；②基于宏观运动的欧拉－拉格朗日方法；③基于宏观运 动的欧拉－欧拉（即多相流的多流体模型）。在欧拉一欧拉法两流体理论中，连 续(液)相运动用欧拉型方法描述。假设分散(颗粒)相为拟流体，其运动也用欧拉 型方程描述。可以在欧拉坐标系下用统一的方法处理颗粒项和流体相，使编制程 序相对简单。这种模型可应用于较稠密的悬浮流，与各种湍流模型结合有广阔的 应用前景。近年来在两相流或多相流的数值模拟中，双流体模型正在得到越来越 多的应用。 （2 ）水力机械固液两相流模拟及泥沙磨损预估 452 近年来，计算机无论在容量和速度上都有了很大的提高，为数值模拟比较复 杂的水力机械固、液两相流提供了条件，目前研究人员已经从定常单相流研究转 向非定常流和多相流研究上来，并取得了许多成果。 在国外，板谷·西川对泵叶轮内的固体颗粒的运动轨迹进行了实测，并用二 次元的近似方法对颗粒运动轨迹进行了计算，取得了比较一致的结果。 Zurya 研究了离心泵叶轮中固体颗粒的运动轨迹，并对泵的磨损问题作了讨 论。 峰村吉泰利用对汽泡在泵叶轮中的运动轨迹进行了研究，并与实测结果进行 了比较，取得一致结果，随后又计算了泵叶轮内不可压、准三元流场中球形刚性 小颗粒的运动轨迹和冲击速度。峰村吉泰和他的助手们，先后计算了泵叶轮和水 w 轮机叶轮内全三维有势流场中的颗粒和气泡的运动轨迹，取得了不少成果。最近 峰村吉泰，钟原对固液两相湍流弯管壁面的磨损量进行了计算。 w Roco (1984)较早地结合水力机械磨蚀试验进行了磨蚀预测。他采用了无粘流 w 动模型求解混合液流场，用颗粒在流场中的动力平衡计算固粒速度，利用对流扩 .i 散方程求解浓度分布，对磨损进行了解析。 w 另外，在国外已有水轮机制造厂（如伏依特公司）利用 TASCflow 等商用软 h 件计算颗粒运动轨迹，并预测泥沙磨损。但颗粒运动轨迹计算量有限，不能得出 .c 分散相运动特性，预测泥沙磨损还需要大量经验数据。 o 我国河流泥沙含量高，对水轮机的泥沙磨损研究成果很多，如邵长城和许协 m 庆（1986）基于单流体模型先后计算了球形固体小颗粒在绕圆柱及平面叶栅流场 中运动轨迹和轴流式水轮机叶轮中的运动轨迹。 彭维明和程良骏（1994）从固液两相流的基本方程出发推导了水涡轮机械转 轮轴面上的泥沙运动的速度通解，并计算了不同颗径的颗粒在水轮机转轮轴面上 的运动速度，获得了一些对抗磨设计有意义的结果。 许洪元、吴玉林等(1997)利用高速摄影对离心泵叶轮中固体颗粒运动规律进 行了试验研究，并和数值模拟计算结果进行了比较，试验结果和计算结果都表明， 颗粒质量越大，其运动轨迹越靠近工作面。 刘小兵等(1995)在含沙浓度不是很高的水流环境中，采用低浓度固、液两相 流 Eulerian-Larangian 混合湍流模型，两个坐标系下的方程有两相间作用的颗粒 453 源项来耦合，能研究颗粒群和流体相之间的较大滑移，给出了颗粒－壁面碰撞模 型和作为韧性金属材料的水轮机过流部件的磨损模型。模拟结果和模型试验的结 果较一致。 徐姚等人(2002)对旋转圆盘内液固两相流冲刷腐损过程进行了数值模拟研 究。数值模拟研究采用欧拉－拉格朗日方法来模拟液固两相流动，即通过在欧拉 坐标系下求解流体相的雷诺时均方程组来模拟流体流场，通过拉格朗日坐标系下 的随机轨道模型来获得固体颗粒相的运动轨迹。根据模拟中得到的颗粒对材料表 面的冲击性质(速度、冲击角和冲击频度) ，采用经 bergevin 修正过的 Finne 切削 磨损冲刷方程来计算固体颗粒对材料表面的冲刷破坏速率，并和实验测量数据进 行了比较。 吴伟章等（2000 ）在两流体模型的基础上，利用κ-ε-A 两相湍流模型计算了 w p 水轮机转轮中三维泥沙固、液两相湍流，采用图尔萨(Tulsa)大学磨蚀研究中心发 w 展的泥沙磨损模型，预估叶片面的磨损。两相湍流的计算结果可以表示液相和泥 w 沙固相的主要流动特征，并能预测液相和泥沙固相流速场的差异，磨损的模拟结 . 果可以分析叶片磨损的主要特征。 i w 中国水利水电科学研究院水力机电研究所高忠信和陆力等（2001 ）在两流体 h 模型的基础上，使用贴体坐标的有限体积法，利用有科氏力修正的 κ-ε-A 两相流 p . 紊流模型建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型。并对刘家峡 c HL001 模型转轮进行了固、液两相流及磨损强度的三维数值模拟，计算结果与实 o 验结果比较一致。在此基础上，又开发了三维两相紊流计算软件，可绘制出转轮 m 内的泥沙运动轨迹和浓度分布，模拟含沙水流的两相流动，获得液相和固相的流 动分布情况，预估磨损区域和磨损量，在一定程度能够代替模型试验对水轮机转 轮的磨损部位和磨损强度进行数值预估。 从国内外水力机械内固、液两相流及磨损预估的研究来看，数值模拟理论还 不完善，模拟结果尚缺乏普遍性和精确性，有的更缺乏试验验证。还需要通过大 量的磨损试验，在掌握丰富的试验资料基础上，伴随着计算技术的发展，不断完 善水力机械两相流数值计算模型和磨损预测模型，提高磨损数值模拟的可靠性和 精确性。 2.2.3 水轮机中空化流动模拟 水轮机的效率、空化性能和稳定性是影响机组性能的 3 大指标，其中空化问 454 题本身是复杂的水汽两相流问题，气泡和水体之间有着非常复杂的动量和能量交 换关系，对其机理的认识和空化模型的建立等在理论上都还有待探讨。目前，对 于空化流动的研究主要采用空化试验和数值预测两种方法。空化试验的费用高， 且对于大型机组的空化性能试验，由于空化现象的比尺效应及众多因素的影响在 试验台上尚无法有效地控制，使得试验结果难以完全真实反映真机的空化性能。 近年来，随着 CFD 技术的飞速发展，国内、外学者已采用数值模拟的方法对空 化现象进行了大量的研究。 目前，空化数值模拟研究大体上向着两个方向发展：从空泡的角度研究空化 发生发展的机理或从宏观的角度分析空穴的存在对流场的影响。从宏观角度研究 空化现象的主要包括： Brewer 和 Kinnas(1995) 以及Pellone 和 Peallat(1995)采用非 线性的奇点法预测了二维和三维翼型上的局部空化。Hirschi.R(1997)提出的基于 w 三维欧拉法的空化区域的预测， w D.F.De Lange 和 G.J.De Bruin(1998)在二维势流中 模拟了非定常的空化流动，预测了二维空化发生发展。 w 国外对水轮机空化流动的实验和计算研究最多的是瑞士洛桑高等工业大学 . （DPEL ）。该校IMHEF 实验室在 18 届 IAHR 会议上，共发表了 5 篇文章介绍了 i w 近期空化研究成果。主要在模型机组上用几种方法量测空化强度，并与原型机组 的量测结果比较。根据IMHEF-EPFL 的多年研究成果，Hirschi ，R 等于 1997 年 h 6 月提出了水力机械中基于三维欧拉（无粘性）方程解的空化流动计算结果。 .c 另外，NILSSON(2002)等采用 TASCflow CFD 商用软件，对轴流式和混流式 o 水轮机转轮单个叶片通道内的定常空化流动进行了数值模拟。 m 国内对于叶片式水力机械转轮内的空化流分析，长期以来由于缺乏实用的三 维空化流场的分析方法，至今在工程实践中是避开直接分析空化流动，而以非空 化绕流的分析结果来预测空化流动特性，并根据这个结果修正叶片以避免空化。 我国学者任静、常近时（1998）采用奇点分布法，通过 S1 和 S2 流面的相互迭代， 求解了混流式水轮机转轮内准三维空化绕流，首次将直列翼栅空化流动的奇点法 用于大型混流式水轮机转轮靠下环 3 个流面所截的翼栅中，并将计算结果应用于 该水轮机转轮下环区域叶片进口边的改型，取得了一定的积极效果。清华大学徐 宇、吴玉林等人（2002 ）采用两相流中两流模型模拟三维湍流空化流场。基于两 相流中两流体模型的理论和基本方程，推导了转轮中空化两相紊流方程，并利用 κ-ε-Ac 两相紊流模型完成了贯流式水轮机内部三维空化紊流场的计算分析，计算 455 结果包括了液相和空泡相的主要流动特征。 总之，目前空化流场数值分析或是基于无空化流场的计算，或用准三元无粘 性流动的假设和方法分析空化流场，同时考虑粘性和多相性的空化湍流的数值研 究很少，从目前的技术水平来讲，精确预测非设计工况下的空化性能是非常困难 的。 2.2.4 水轮机尾水管涡带模拟及压力脉动预测 近年来，一批新投产运行的水轮机相继出现了不同程度的振动问题，导致转 轮叶片裂纹、尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房及相邻水工建筑物发生共振，危 及了电站的安全运行。研究表明水力不稳定因素，特别是尾水管涡带是引起这些 振动问题的主要根源之一。多年来，人们围绕水轮机尾水管涡带开展了大量的研 w 究。20 世纪 90 年代后，随着计算机技术和流体动力学(CFD)的发展，对于尾水 管压力脉动研究的重点已经从试验研究转为利用 CFD 数值模拟和分析。特别是 w 近几年，尾水管内非定常流动数值模及压力脉动数值预测，已经成为了当前水轮 w 机行业的国际前沿问题。 20 .i 世纪 40 年代初，国际上就有学者开始了尾水管涡带引起的压力脉动的研 究。 w 1940 年 Rheingans 对涡带进行了研究，并得出了压力脉动频率为水轮机转速 h 的 0.25～0.33 倍的结论。20 年后，Deriaz 研究发现，在部分负荷下，转轮后面 .c 的低压涡表现为绕尾水管轴线的漩涡运动，而这种运动与Rheingans 所建议的频 率有关。 o 1972 年 Kubota 在实验室观测到尾水管压力脉动的振幅与空化系数相系， m 且尾水管压力脉动的振幅主要取决于运行流量与设计流量的比值。他还发现，当 该比值接近 0.55 时，出现最大振幅。1973 年 Ulith 观测到在尾水管下游断面处压 力脉动大为减小，并且其结果受下游水位的影响。1978 年 Hosoi 发现了激振频 率与运行流量之间的密切关系，并建议将 Rheingans 指出的频率范围扩大到水轮 机转频的 0.50 。1980 年，Nishi 发现利用装在固定叶片上的漩涡发生器就能在实 验室内产生受压漩涡，并观察到漩涡激振频率取决于运行水头和流量。他还指出， 最大压力脉动与尾水管内涡核的位置有关。1993 年 Nishi 进一步指出在部分负荷 下，当尾水管发生冲击振动时，在其弯曲部分的漩涡中心处振动频率是与产生空 化时尾水管的固有振动频率是一致的。总之，所有的研究者都一致认为，由于涡 核的运动，使水电系统受到频率约为水轮机转频的 0.25～0.33 （甚至达0.50 ）的 脉动压力作用，此外，脉动压力的振幅受运行水头和流量的制约。 456 20 世纪 90 年代后，特别是近几年来，随着计算机技术和 CFD 并行算法的 发展，对尾水管涡带的研究重点从试验研究转为利用 CFD 数值模拟和分析。有 学者开始利用雷诺应力模型或者大涡模拟等方式对尾水管内的非定常流进行模 拟，研究涡带的形成，并预测其引起的压力脉动。Ales Skotak 利用大涡模拟对扩 VATECH Hydro 和 Sulzer 于 2002 年利 散管内的低压涡带进行数值模拟和分析。 用 CFX-TASCFlow 对混流式水轮机和可逆式水轮机的尾水管进行非定常解析， 并将其结果与试验对比，发现所计算得到的涡带所引起的压力脉动的幅值和频率 和试验中所测得非常相似。同时Voith-Siemens 的Thomas ASCHENBRENNER 和 Albert RUPRECHT （2002 ）也利用改进的κ-ε模型和大涡模拟方法，对尾水管中 涡带进行模拟，并对两种模型得到的结果进行比较。Fan C 和 KUBOTA Takashi 等人（2006 ）利用雷诺应力模型对混流式水轮机弯肘型尾水管内水流流动进行了 w 长时间非定常流计算，研究尾水管内死水域与涡带的不规则运动，预测尾水管的 w 不规则压力脉动并分析其频率特性。GE 能源的 Thi C. VU 等（2006 ）对水轮机 内部静动翼间的干涉、部分负荷下尾水管内涡带、固定导叶后的卡门涡列等几种 w 非定常流动进行了数值模拟，并结合模型、原型试验数据评估压力脉动数值预测 .i 的精度。国内清华大学吴玉林（2000 ）应用RNG κ-ε湍流模型，对混流式模型水 w 轮机进行了非定常计算，预测了尾水管压力脉动。周凌九博士采用同样的模型对 h 尾水管非定常流进行了计算，证实了尾水管内部涡带形成与转轮出口周速度、转 . 轮出口回流大小等相关。华中科技大学肖若富（2004 ）也对尾水管内的低压涡带 c o 进行数值模拟和分析，对尾水管中低压涡带的形成和其运动规律进行了分析。 m 近几年国内、外发表的水轮机非定常流数值模拟方面的文献来看，在尾水管 压力脉动数字预估方面也取得了较大的进展。数值模拟方法在一定程度上也可以 预报振动的频率与幅值大小，但其预测振动幅值与真机存在较大差异，离工程实 用还有一定的距离。如果要将数值模拟的方法作为研究尾水管压力脉动的主要方 法，还需要从以下几个方面提高 CFD 技术在水轮机非定常流动预估方面的精度。 （1）计算域的选择。由于尾水管内流动是强三维、非定常、非线性的粘性 流动，其流动受到转轮出口水流影响，反过来尾水管压力脉动也会影响到上游的 流动情况。因此要对尾水管内的流态进行准确的数值模拟，就必须把转轮同尾水 管当成一个整体进行解析。 （2 ）网格大小。理论上网格数越多计算结果精度越高，但目前计算机速度、 457 容量等方面，还不能满足湍流计算的要求，因此应在资源许可前提下，尽可能增 加网格数，但是在计算步长时间内流体质点的位移应该大于网格特征长度，这一 基本准则不能违背。 （3 ）湍流模型研究与选择。粘性涡模型的 κ-ε 两方程模型计算得不出由雷 诺应力引起的二次回流，因为该模型在对湍流耗散率ε方程的模化过程中过高的 估计了湍流的耗散率，得到的湍流涡粘性系数过大，以致于剪切层中的大涡结构 来不及聚集成涡带时已经扩散了，使得计算出的流动趋于稳定。κ-ω湍流模式本 质上与 κ-ε模型没有区别，都是基于雷诺应力各向同性的 Boussinesq 假设，而尾 水管中的螺旋形涡带是由尾水管内的圆锥形剪切层中的拟序结构及雷诺应力的 各向异性所产生的。正因为如此，κ-ω、κ-ε等粘涡模型湍流模式都不能用来预测 尾水管中螺旋形涡带。要想预测到直锥管中不稳定涡带及其诱发的压力脉动，必 w 须抛弃基于雷诺应力各向同性的 Boussinesq 假设。因此从理论上而言，对于现有 w 的湍流模型，只有采用基于湍流雷诺应力各向异性的湍流模式才能比较准确的模 w 拟尾水管中螺旋形涡带的产生及其运动规律，如雷诺应力湍流模式(RSM)、大涡 模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)等。 .i w （4 ）计算物理时间。许多学者在研究尾水管涡带问题时，仅仅计算了几秒 钟，就开始了分析。基于这种限解析结果上得出的涡带特征很可能与现实情况相 h 背，即便是吻合也可能是一种巧合。原因有两点：第一，尾水管非定常解析，是 .c 以定常解析结果作为初始条件开始的，要从定常流发展到非定常流需要充足的时 o 间，因此，在形成了稳定的非定常流动之后，预测的压力脉动才真实可靠。第二， m 涡带的频率通常较低，本身也需要长时间的计算结果才能正确分析它的频率特征 等。 由于尾水管内流动是强三维、非定常、非线性的粘性流动，当涡核在尾水管 内形成空化空腔时，它还是两相流。同时尾水管涡带的形成机理，也不完全清楚， 因此要对尾水管内的流态进行准确的数值模拟是十分困难的，还有相当多的研究 工作要做。 2.3 水力振动与稳定性研究新进展 2.3.1 水轮机压力脉动测试技术 衡量和评价水轮机的压力脉动性能需要两方面的基本条件：一是要有公认的 质量标准，即水轮机压力脉动的允许值标准；二是要有一致的质量检测方法，即 458 统一的压力脉动试验方法。目前国内外在进行水轮机压力脉动试验和验收时，许 多业主对质量标准提出了较高的要求，规定了较为严格的允许值标准，而对试验 方法的要求较少。然而，由于对水轮机压力脉动试验方法的不统一，其试验和分 析的结果可能会有较大差别。近年来，水轮机压力脉动测试方法及信号分析等问 题吸引了越来越多学者的关注。 水轮机的压力脉动不仅包含尾水管中涡带所引起的低频脉动，而且也应该包 含转轮与导叶动静干扰引起的压力脉动，还包含叶道涡、卡门涡及叶片脱流形成 的脉动，以及蜗壳鼻端绕流和压力钢管中脱流、旋涡形成的压力脉动。随着大型 及巨型机组的出现，机组尺寸急剧增大，转轮与导叶的动静干扰加剧、卡门涡的 概率和卡门涡的强度剧增、叶片背面的脱流及叶道涡加剧，导致近几年大中型机 组出现了一些与尾水管涡带无直接关系振动稳定性问题。 w 要准确的测量水轮机压力脉动特性，必须合理、准确的布置测点，不仅应考 w 虑根据不同的振动源选取不同的测量位置，而且应尽可能使所选位置能测量到压 w 力脉动的最大值。在模型验收试验中至少需要尾水管锥管 0.3～1.0D 处，活动导 2 . 叶与转轮进口之间，及蜗壳进口处 3 个区域测点的压力脉动特性作为水轮机压力 i w 脉动性能的考核点。另外在进行压力脉动试验时，还应根据实际需要有的放矢地 增加测点位置，以全面了解机组的水力稳定性。压力脉动试验时，不同的测量位 h 置，可采用不同的采样频率，对于尾水管涡带引起的压力脉动采样频率一般取 .c 200 Hz 左右，而对于转轮与导叶之间的测点及蜗壳进口处的测点，建议其采样 o 频率至少应大于 1000Hz。同时压力脉动试验时的采样时间应足够长，以提高FFT m 分析的精度，准确地分析出组成压力脉动波形的各分频的幅值、频率和相位。 以往在常规的压力脉动试验中，尤其是验收试验中，通常在水轮机尾水管直 锥段下游侧布置测点，并将该点的压力脉动幅值作为验收和评价稳定性优劣的依 据。中国水利水电科学研究院的研究指出，以尾水管的压力脉动值作为基准和标 准允许值或与其他转轮试验值比较存在许多缺点：①在尾水管测压力脉动有很大 的不确定性，不同的位置（不同高度、不同角度）有不同的压力脉动幅值，不同 的工况压力脉动最大点产生的位置不同，同一工况在不同的空化系数下最大点位 置也不同；②在低空化系数下，由于涡带空腔内压力接近绝对零压力，压力脉动 波形出现所谓的“削波”现象，该波形对频谱分析不利，用快速付里叶分析很难准 确地分析出正确的频率和幅值；③过去注重尾水管的压力脉动是因为对涡带引起 459 压力脉动的重视，而近期遇到的大型机组存在的稳定性问题大多与涡带无关，而 在该位置则不容易测到叶道涡、卡门涡等的有关信息。基于此，研究者建议在水 轮机压力脉动验收试验中，作为判别评价基准的测试位置，应从目前的尾水管改 为转轮进口侧，并应合理增加测试位置。 随着相关学科的发展，近年一些新的分析方法的出现，大大促进了尾水管现 场测试的进步。如桂中华等人（2004 ）用小波包多分辨与信息熵结合，直接分析 尾水管脉动信号，经过小波包分解然后提取各频段的特征熵，通过该特征熵的变 化，反映涡带的情况。该方法不仅能判断涡带是否存在，而且可以反映涡带的严 重程度，故这种方法较好地解决了尾水管故障检测中的实际问题，并可以及时发 现故障，确保设备安全运行。又如孙建平(2006)等人应用连续小波变换方法分析 了三峡水电厂机组整个升负荷运行中尾水锥管水压脉动情况，准确地获得机组的 w 振动区间以及振动的频率范围，为机组的故障特征提取提供了一种新的选择。 w 虽然目前还不能将模型上的测量结果真实地反映到真机上，但如何在模型上 w 准确测量和选取压力脉动幅值的问题也是水力机械行业十分关注的间题，压力脉 . 动幅值取值的方法和准确性直接影响对水轮机水力性能的判定，以往在对压力脉 i w 动幅值取值时，由于标准不统一，不可能每个人对同一脉动波形取到同一尖峰点， 对于时段的截取也可能不同，所以对同一波形的分析结果差别较大。为此，中国 h 水利水电科学研究院尝试了以计算机为中心的模块化方式对压力脉动进行数据 .c 采集、分析和研究，从而加快了试验速度，提高了试验的准确性，还遵照国际验 o 收试验的惯例采用 97%置信度压力脉动混频幅值取值法，开发了计算机计算软 m 件，全部取点的概率计算及幅值取值均由计算机完成。实践证明，这种取值方法 具有一定的科学性和准确性。因此，制定相应的测量标准、采用科学的分析方法 对评价水轮机水压脉动起着重要的作用。 2.3.2 水轮机水力振动与裂纹研究 水轮机转轮裂纹是水利水电工程机组安全稳定运行的重大问题，是关系到机 组是否能正常运行的核心，已经引起行业界的普遍关注，也是水利水电建设中亟 待解决的关键课题之一。随着我国水力机组尺寸和容量的不断增大，由水轮机水 力稳定性引起的机组稳定性和转轮裂纹问题也愈来愈突出。研究表明动应力值较 大是引起转轮叶片产生疲劳裂纹的主要原因之一。 随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，各种行之有效的数值计算方法得到 460 了巨大发展，特别是近些年来，许多大型通用和专用的有限元分析（FEA ）软件 如 ANSYS 等商业大型结构分析软件的问世和发展，为计算工程科学领域提供了 快速和方便的计算分析手段。徐斌等人(2006)运用 CFX 软件对混流式转轮不同工 况下的流场进行计算，得出作用在转轮上的压力。然后通过有限元软件把叶片的 压力分布作为荷载加载到转轮上，由此精确地计算变工况下的混流式转轮及叶片 刚强度，确定出混流式转轮叶片上的应力和变形。肖若富等(2007)利用流、固耦 合方法对水轮机转轮在各种工况下的静应力特性进行计算，结果表明在大部分工 况下转轮叶片最大静应力基本上与水轮机功率成线性关系、计算结果为水轮机转 轮的应力特性分析及其转轮疲劳裂纹分析提供参考。 但目前的计算手段还无法准确计算动态应力，特别是在机组运行过程中发生 的各类水力共振等现象。对某一水轮机而言，叶片振动的原因，可能是机组设计、 w 制造、安装和维护质量的影响，也与机组运行工况、进出口水轮机的水流条件等 w 多种振源综合作用的结果。要弄清哪些振源起到主导作用，往往需要通过现场测 w 试分析才能清楚。因此，在目前尚不能对动应力进行准确数学计算的情况下，开 展真机实测是掌握转轮叶片在运行状态下的动应力状况的主要途径，是进一步解 .i 决大型水轮机转轮开裂的关键。 w 水轮机旋转部件动应力测试技术的研究早在 20 世纪 60 年代就已经开始，当 h 时由于缺少关键测试仪器设备，试验中应变输出信号从旋转部件向固定测试仪器 .c 的传送装置大多采用接触式刷环、拉线式集流环、非接触式电容或电感发射机、 o 电磁波发射机等。由于这些传送装置的噪声，限制了整个测量系统的测量精度， m 影响了试验数据的可靠性，同时这些信号传输装置结构复杂，完成一个现场试验 往往需要花费大量的人力和物力。近年来，随着电子技术、计算机技术及无线数 字传输技术的突飞猛进的发展，水轮机转轮应力的测试技术开始有了新的进展。 国际上著名的水电集团公司如 ALSTOM 、VOITH SIEMENS 、GE 、 AO“LMZ”(列宁格勒金属工厂生产联合体)等在分析和处理转轮叶片裂纹问题时， 利用新的测试装置开展了相应的转轮应力现场测试，测试结果为转轮部件应力的 研究以及转轮叶片裂纹分析和处理提供了有力的技术依据。M.FARHAT （2002 ） 介绍了法国 ALSTOM 公司和瑞士洛桑理工学院水轮机实验室合作，针对巴西一 低水头混流式电站的水轮机开展的原、模型转轮叶片压力脉动和应力测试的测试 技术和测试研究，并通过试验测得的叶片应力，预算转轮在不同负荷工况下的运 461 行时间（转轮疲劳寿命预估），结果表明，转轮在最优区运行的相对寿命约为部 分负荷时的 1000 倍。AO“LMZ”在分析水轮机裂纹和可靠性与寿命时也进行了叶 片动应力测试，结果表明开机、停机一次相当于带 90 ％负荷运行80 小时。另外， VOITH 、GE 公司在解决我国小浪底、棉花滩、大朝山转轮裂纹问题时，也进行 过真机动应力测试，测试结果为裂纹原因分析和裂纹处理方案提供了有力的技术 依据。 # 国内大朝山电厂安装 6 台 225 MW 混流式水轮发电机组，1 机组于 2001 年 12 月投入试运行，在 72 h 中，水轮机出现异常噪音，机组振动摆度及水压脉 动正常，经停机检查发现转轮叶片出水边靠近下环、上冠区域有多处裂纹。为了 全面分析大型水轮机转轮裂纹形成的机理，掌握其转轮叶片动应力状况和变化规 律，电厂组织了国内科研院校及制造厂多家单位开展了转轮动应力试验研究。试 w 验所用应变片为进口专用防水应变片，振动传感器为特制防水剪切压电式加速度 w 计。采用化学和机械相结合的办法对传感器和引线进行防护，在进行防护处理时 w 考虑了最大限度地降低对转轮流道流态和叶片刚度的影响。为该试验专门研制了 抗干扰能力强和可靠性高的专用测试仪器进行转轮动应力和振动测试。试验研究 .i 获得了大量第一手宝贵的数据，并对真机转轮静动应力的变化规律进行了深入分 w 析与探讨。研究成果对进一步揭示大型水轮机转轮的开裂原因和深入开展混流式 水轮机的可靠性研究具有重要意义。 h .c 近年来，中国水利水电科学研究院通过消化吸收，集成、研发了水轮机旋转 o 部件动应力机载现场测试系统及其分析软件，与传统的测量装置和测量方法相比 m 具有实时、在线与监控功能，满足水轮机旋转部件动应力测试的特殊要求，并在 徐村、岩滩、叙利亚的什林等多个水电站的现场实测中得到成功应用，为转轮裂 纹产生原因的分析研究提供了技术依据，为大型水轮机转轮裂纹的分析和研究、 实时监控、状态检修提供了必要的手段。 进入 21 世纪后，我国有一大批容量为 700MW 的特大型机组预期将陆续投 入运行，此外还有一系列大型水电站已确定要采用 700M W 或更大容量的大机 组。从目前已有的一些大机组运行实践的经验来看，大机组有许多不同于中小机 组的问题，有待深入研究解决。由于未来机组的容量和尺寸更大，一旦发生问题， 其影响和危害也必将远大于目前这些机组。因此必须针对大机组的特点，及早动 手抓紧开展深入的科研工作。同时，因为振动裂纹的后处理一般比较困难，所需 462 要的人力、物力和费用也比较大，为此做好前期预防十分重要和必要。 2.4 水轮发电机组状态监测与故障诊断新进展 安全生产是水电厂的第一要务，尤其是大型发电厂，一旦发生故障，将对电 站、电网造成巨大的经济损失，其安全性尤为重要。为保障水电机组运行安全， 过去我国一直沿用“计划检修” 的维修制度，在一定的程度上收到了较好的成效， 但“计划检修”针对性不强，且具有盲目性，更不能提前防范设备故障，其弊病越 来越突出。随着计算机技术、电子技术、现代测试技术、信号处理技术以及相关 科学技术的快速发展，20 世纪 90 年代“状态检修”初露端倪，作为一种设备针对 性维修模式，它以先进的诊断技术和可靠的诊断手段为前提，以日常的监测和定 期检查分析为基础，正确地了解和把握设备的运行状态，减少设备维修费，延长 设备使用寿命，起到了事半功倍的效果。因此，研究水轮发电机组监测与故障诊 w 断技术，并在此基础上实施“状态检修” 已成为当今水电站运行保障技术发展的必 然趋势。 w w 国内外已有众多研究机构在进行状态监测和故障诊断技术的研究，并相继研 . 制开发出了一系列的较为先进的水电机组状态监测系统，这些系统大都具有较好 i w 的监测功能，但基本上不具备故障诊断功能，目前真正意义上的水电机组故障诊 断系统还没有成功的实例。 h 2.4.1 状态监测技术 .c o 现代设备监测与诊断技术的研究，起源于 20 世纪 60 年代，是由航天、军事 m 工业的需要而发展起来的，70、80 年代逐步完善并开始应用，到了 90 年代，随 着计算机技术、电子技术、现代测试技术、信号处理技术以及相关科学技术的进 步，各国相继研制开发出了一系列的较为先进的故障诊断专家系统，使得故障诊 断技术在石油、化工、交通、电力、冶金、航空、核工业、能源等领域逐步跨入 了实用化时代。国外在水电站状态监测技术的研究与应用方面，也做了一些成功 的尝试，研制开发出了一批实用产品。监测范围包括包括机组稳定性、能量性能、 空化性能、发电机气隙与磁场强度、发电机局部放电等多方面。从已开发的水电 机组状态监测与故障诊断系统来看，普遍具有较好的分析功能，但很多还没有诊 断功能，且监测对象大都仅局限于机组某方面的或某部分，没有一个集成化的机 组全状态监测系统，更没有形成多个区域多台机组的监测诊断网络系统。 （1）振动与稳定性监测 463 水轮发电机组稳定性监测内容包括机组主轴摆度、机组结构振动、水压脉动 等。振动与稳定性监测技术研究最早，技术相对成熟，目前国外已开发了众多产 品。如德国申克公司的Vibrocontrol4000 系统，其特点是系统结构灵活，通过增 加部分模块和软件，可方便地配置成振动分析系统，但系统仅仅局限于水轮机组 振动监测分析，不具备诊断功能。该系统已经在我国水口、天生桥、漫湾、万家 寨和沙溪口水电厂应用。同类系统还有美国本特利﹒内华达公司的 Hydro VU 系 统；瑞士 VIBRO-METER 公司的 VM600 ；日本东京电力公司和东芝公司共同开 发的抽水蓄能发电机组自动监视系统等等。 近年来，国内在水电机组状态监测及故障诊断领域加大了投入，也取得了一 些研究进展，具有代表性的系统有华科同安 TN8000 、华中科大 HSJ 、奥技异 PSTA 、中国水利水电科学研究院 HM9000 等“水轮发电机组状态监测系统” 。起 w 初这些系统都是单一的振摆监测系统，近 2 年来，系统的监测分析功能日趋完善， w 但在诊断功能上还处于探索阶段，没有成型的产品。这些系统已应用于国内众多 w 水电厂的各类水轮发电机组，涉及混流式、可逆式、贯流式、冲击式等。其中三 峡水力发电厂是世界上最大的水力发电厂，其地位之重要、设备之先进、自动化 .i 程度之高代表了中国发电企业的最高水平。经过几年的努力，三峡左岸电站装设 w 了多种进行的状态监测系统及监测装置，在设备状态监测方面已经达到了世界先 h 进水平。在此基础上，电厂建立起了统一的主设备运行状态在线监测技术平台， .c 该平台以监控系统、趋势分析系统和数据仓库为核心，将各种分散的状态监测设 备进行集中管理并进行 WEB 发布，收到了较好的效果。o m 从国内外水轮发电机组振动稳定性监测的研究及应用情况来看，摆度监测技 术已经成熟，而当前水电机组低频振动测量仍是个难点问题。机组振动测量可以 采用非接触式的涡流传感器或接触式的低频速度传感器，另外还有加速度振动传 感器。涡流传感器的精度较高，频率响应范围甚宽，低频下限可以为 0Hz，最适 用于涡带频率较低的水电机组的振动测量，但涡流传感器用于振动测量时，安装 十分不方便。加速度振动传感器的频响下限较高，通常应用于汽轮发电机组，不 宜用于水电机组振动监测。接触式低频速度传感器安装方便，且能测量频率较低 的振动，适合水电机组振动测量，但是这类传感器在遇到较大的突变情况如机组 开机的冲击或晃动时，其输出信号会产生畸变。目前，国内中国水利水电科学研 究院、中试所及有关高校普遍采用低频速度传感器，在特殊情况下加装涡流传感 器的办法来测量水电机组的低频振动。 464 （2 ）能量性能监测 机组流量的测量是实现水轮发电机组能量指标实时监测与评估的基础，是一 项困难而重要的工作。对于具有规则进水口机组的流量测量，目前已有很成熟的 方法，如流速仪法、压力－时间法、示踪法、压差法及超声波法等。经常使用的 流速仪法、压差法及超声波法，也只是在直管段较长、水力条件较好的情况下才 能得到足够的精度。而低水头电站应用的水轮机一般有轴流式和贯流式两种机 型，其进水口段形状有共同特点，即进水口为喇叭形，进水口和水轮机进口之间 流道短、尺寸大，且横断面为渐变收缩状，均属于不规则过流断面，因而用于规 则进水口电站常用的测流方法，已不能很好地适用于低水头不规则进水口电站的 流量测量。到目前为止在低水头电站的短压力管道或进水建筑物的测流方面， IEC( 国际电工委员会)还没有制定相关的测试规程。低水头不规则进水口电站机 w 组的流量测量成了国际上公认的技术难题。然而，世界上这种类型的电站很多， w 迫切需要一种测量精度较高，又能在线监测的测流装置，为此国内外一些公司正 w 在积极探索用于低水头电站流量测量的方法，并取得了一定的成果。 . 近几年，超声波测流技术在规则管道中的成功应用，为在低水头电站尝试使 i w 用超声波法进行测流提供了有价值的借鉴。超声波流量计的换能器按交叉声路的 方式布置，可对由横流或涡流产生的影响进行有效的监控和校正，根据这一特点， h 国内外有关学者对低水头电站不规则断面流量测量开展了相关研究和实践。 .c 国内有单位开展了超声波流量计在变断面水电站的探索性应用研究。其基本 o 思路是：根据过去在类似电站用流速仪法取得的大量流速分布数据，推导出流量 m 计算数学模型，进而确定测流断面和声路布置。按照事先估计的流速分布规律， 将测流断面分成若干层，流量计算采用分层面积积分的方法。测出各层平均流速， 通过测流积分断面计算得到流量。将开发的测流系统在山西天桥水电站投入使 用，完成了水轮机绝对效率试验，取得了较好的效果。 与此同时，美国 ACCUSONIC 公司也开发了用于低水头电站的超声波测流 系统，其原理是多声路时差法，主要是将 Gauss 积分技术引到低水头渐变收缩流 道的流量测量中。测量时每个流道内的声路数目将根据流动结构、水力学条件来 确定，至少采用 4×4 声路布置，且声路必须交叉布置。如果流道流态分布变化大， 则应适当增加声路数。用测得的流速对断面积分，可得到流量。这一技术在美国、 加拿大等多个电站得到了应用，并在美国宾夕法尼亚 SafeHarbor 水电厂与流速仪 465 测流进行了同步对比试验。试验结果表明低水头超声波测流法与流速仪法基本一 致。2006 年，应用该测量技术在在国内某大型低水头泵站上进行了首次探索应 用，取得了良好效果。 从近年来国内外有关低水头电站不规则断面流量测量的结果来看，交叉声路 布置的多声路时差法超声波测流技术可为低水头电站机组效率的在线监测提供 可行方案，但该流量技术在测量精度和工程实用方面还有很多的研究工作要做。 （3 ）水轮机空化在线监测 空化作为水轮机破坏的主要形式之一,直接影响水轮机的能量特性,使其效 率、出力下降，还可导致机组振动、水压脉动增加，尤其是在泥沙磨损的联合作 用下，其破坏更加强烈，严重威胁机组的稳定运行，大大缩短了水力机组的检修 w 周期，增加了检修工作量，带来昂贵的维修成本和巨额的发电损失。因此，研究 水轮机空化监测方法，并研制相应的系统，具有极大的学术价值和经济效益。世 w 界各国对空化产生的机理进行了广泛深入的研究，清楚地了解了空化发生的条件 w 及产生的结果，但如何在工程实际中监测空化现象的发生及判断空蚀程度，至今 仍在不断的探索中。 .i w 当前我国对水轮机空化的监测大多还停留在凭感觉和定期查看的阶段，运行 h 人员不能适时掌握水轮机空化状况及发展趋势，不利于机组的准确适时维修。国 .c 内研究者大多从设计制造、试验角度研究如何减少、消除空化的措施等，关于水 o 轮机空化监测的研究近年来才刚刚起步。水轮机发生空化空蚀现象时，将产生大 m 量的气泡，随着气泡的形成、膨胀、溃灭和反弹，产生超声波信号，随着空蚀的 发展，汽泡的数量增多，溃灭速度加快，冲击强度增大，声波的振幅也随之增加。 测量空化发生时的超声波分量，可以避免噪声分量的干扰。根据这一原理，国内 清华大学、华中科技大学、西安理工大学等研究机构采用了超声波传感器，并配 合使用加速度计对水轮机空化的在线监测技术进行了研究，开发了一些空化监测 系统。为在线监测与诊断水泵和水轮机的空化现象提供了简捷易行的手段。但这 种空化监测技术无法确定空化强度与空化特征参数之间的定量关系，其监测系统 也只能作为一个运行的参考，还不能诊断机组空化强度及发生空蚀程度。 在国外，研究人员开发了一些比较实用的监测技术。卢森堡 Korto 水轮机气 蚀多维监测与诊断公司在水轮机空化机理及监测方面做了大量的科研。Korto 的 研究人员发现空化产生振动声场，能把空化水流及由其引起磨蚀的信息从水传至 466 水轮机无水侧，为识别空化提供了一种“指纹” 。在此基础上研制了一项新的多维 空化监测技术，并开发了水轮机多维气蚀监测系统。其基本做法是在水轮机的适 当位置安放多个振动声响传感器，以测量在适当频带内的噪声强度，计算反映水 轮机空化脉冲性能的噪声脉冲频率，或者比较在各种功率设定值下所收集的噪声 频谱，进行多维水轮机空化评估。Korto 水轮机诊断和监测多维技术具有较高的

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