江坪河水電站水輪機模型驗收試驗及分析

第３３卷第４期２０１０年８月

水電站機電技術

江坪河水電站水輪機模型驗收試驗及分析

黃大俊　，李文化

（１．湖北清江水電開發有限責任公司，湖北宜昌４４３００２；２．湖北華清電力****，湖北鶴峰４４５８００）

摘要：為了檢驗江坪河水電站水輪機模型水力效能，進行了水輪機模型試驗，介紹了江坪河水電站水輪機模型驗收

試驗的試驗台及誤差分析、效率及出力、空化、飛逸轉速、軸向水推力、壓力脈動等試驗方法和結果，並對試驗結果進行了分析。驗收試驗結果表明，為江坪河水電站研製的水輪機模型水力效能優異，完全滿足用於真機設計、製造的要求。關鍵詞：

江坪河水電站；水輪機；模型；試驗

中圖分類號：ｔｋ７３０

文獻標識碼：ｂ

文章編號

江坪河水電站是漤水梯級開發的龍頭電站，具

試驗系統誤差和隨機誤差。

有多年調節能力，其建成後作為電網調峰電源。江坪

河水電站裝機為２臺單機２２５　ｍｗ的立軸混流式機

組，由於受江坪河上游來水量的限制，機組平均年利用小時僅２２４０ｈ。

設計提出的電站及水輪機主要引數如下：額定水頭最高水頭１７８．８９ｉｎ；最低水頭１３１．２６ｎｌ；加權平均水頭１６３．９５ｉｎ；水輪機額定出力２２８．４ｍｗ；機組額定轉速

機組經２００７年底公開招標，中標單位為東芝水電裝置（杭州）****，合同約定水輪機模型試驗在日本橫檳東芝水力試驗室進行。首先由東芝水電進行初步模型試驗並提交報告，在此基礎上再進行模型驗收試驗。

圖１試驗台示意圖

試驗前對試驗台相關檔案進行了檢查，對測量水輪機進出口壓差的壓差變送器、用於力矩測量的負荷變送器、用於測轉速的計數器、用於測流量的稱量箱、水位計、電磁流量計等進行了率定，得到流量、

１試驗台及模型

２００９年４月初，本模型驗收試驗在東芝水力實

轉速、水頭、力矩測量的系統誤差，從而得到試效率

試驗的系統誤差ｅｓ，同時考慮系統的隨機誤差既，

驗室的３號試驗台上進行（見圖１），試驗按《水輪

得到效率試驗的綜合誤差為

經率定和計算，模型試驗綜合誤差為ｏ．２４％，與

初步模型試驗結果一致，滿足ｉｅｃ規程及合同小於

機、蓄能幫浦和水幫浦水輪機模型驗收試驗》

規定進行，買方及工程設計單位

代表參與了驗收試驗。

試驗台是乙個迴圈系統，主要由１６００ｍ　主蓄

０．２５％的要求，從而保證了試驗資料的精度。

１＿２模型主要引數及試驗條件

本試驗的採用的模型主要引數為：

轉輪名義直徑葉片數

水池、貯水池、工作水幫浦、冷卻幫浦、壓力水箱、尾水箱、２００ｋｗ測功電機、流量測量及率定裝置、轉速測量裝

５；活動導葉數ｚｏ＝２０；導葉相對高度ｂ＝置、壓力測量裝置等組成，主要引數為：最大試驗水ｚ＝１

２２４；導葉分布圓直徑轉輪進口直頭４０　ｉｎ，最大流量１００　ｍ３／ｓ，最大轉速最大輸出功率２００ｋｗ，最小吸出水頭一９ｉｎ。

１．１效率試驗的誤差

收稿日期

每次測量的誤差決定了模型試驗的誤差，包括

作者簡介：黃大俊（１９７２一），男，高階工程師，碩士研究生，從事水電工程建設管理工作。

第４期黃大俊，等：江坪河水電站水輪機模型驗收試驗及分析４１

徑模型與原型比例

模型試驗的雷諾數為６．７８×１０６水力比能（即

化係數的調節是通過調節閥門的開關或冷卻幫浦的轉速來調節尾水箱的壓力而實現的。

空化試驗還包括臨界和初生空化係數試驗、進口脫流空化觀測、出口空化觀測。轉輪進口的空化通單位質量水的能量）為滿足ｉｅｃ規程對混流式水輪機模型試驗的條件，即雷諾數大於４×１０６、水力比能大於１００ｊ／ｋｇ。

２水輪機模型驗收試驗

２－１效率及出力試驗

效率試驗時，抽取覆蓋整個水輪機執行區間（含超發範圍）的有代表性的２５個工況點進行試驗，其

中包括額定工況點和驗證出力的工況點。試驗中盡可能保持水輪機水力比能為常數，從而使試驗在無

空化的條件下進行，以防止空化對水輪機效能的影

響，具體操作中以保持尾水箱的壓力恆定來保證。整

個試驗範圍導葉開度從３０％到１１０％範圍內調節，間隔小於１０％。

根據所有抽取的試驗點試驗結果與初步模型試驗對比發現，試驗結果與初步模型試驗吻合、試驗重複性良好，因此，驗收組採信了初步模型試驗報告的試驗資料，即同意初步模型試驗報告得出的模型最

高效率和加權平均效率（見表１），由資料可見，該轉輪效率優於合同保證值，能量特性滿足合同要求。

表１效率及出力試驗資料

為了**原型機效能，原型機效率通過模型每

個測試點的效率加上乙個定常的修正值得到。效率修正值計算按照ｉｅｃ規程提供的修正公式，將模型

雷諾數下的效率轉換為原型雷諾數下的效率。試驗

同時驗證了該模型換算為真機後對應的額定出力、

最大出力和最低水頭出力。

２．２空化試驗

空化試驗選取了江坪河水電站執行範圍內空化

安全係數相對較低的４個工況點進行了空化效能見證試驗。試驗開始前用氧分離計核對氣體常數，以保證水中氣體含量在ｉｅｃ規程規定範圍內，試驗中空過安裝在頂蓋上的ｃｃｄ相機觀察，出口空化通過閃

頻儀觀察。試驗結果與初步試驗結果吻合，換算為原型機的資料見表２。根據試驗觀察繪製的空化及葉

道渦初生限制線示意圖見圖２。

表２空化試驗資料

注：。為電站裝置空化係數。

圖２模型空化及葉道渦初生限制線示意圖

試驗結果證明模型臨界空化係數和初生空化系

數均滿足合同要求，初生空化裕度均大於１．１５、臨界

空化裕度均大於２．９，並且通過觀察可見，葉道渦初生線、進口脫流限制線以及出口空化限制線均在水

輪機執行區間以外，表明江坪河機組在整個執行區間內空化效能良好。２．３飛逸轉速試驗

初步試驗報告中飛逸轉速試驗是在不同空化系

數和若干導葉開度下進行的，本次驗收試驗僅見證最大飛逸轉速工況，即對應於電站裝置係數、最高水頭時的飛逸工況。試驗中將測功電機作為電動機運

行，試驗台管路與測功電機一同執行，首先由模型水

輪機帶動測功器飛輪轉動，當轉速達到一定值使得輸入到測功電機的扭矩與它消耗的相等時，就是模

４２水電站機電技術第３３卷

型的飛逸轉速工況。

飛逸轉速由模型換算到真機時為小於合同保證值３６０　ｒ／ｍｉｎ以及招標要求的３７５　ｒ／ｍｉｎ的要求。２．４軸向水推力試驗

水輪機軸向水推力試驗是在轉輪１倍設計間隙、分別在對應真機額定、最高、最低和加權平均水頭下進行的。為減小頂蓋與轉輪間隙產生的軸向水推力，在頂蓋與尾水管之間採用平衡管連通的方式卸壓。

試驗通過測量測功電機靜壓軸承的油壓力計算

軸向水推力，計算真機最大軸向水推力為對應加權平均水頭１６３．９５　ｍ、最大出力２５５　ｍｗ時的４１８　ｔ，小於合同保證值４５５ｔ，滿足合同要求。２ｉ５壓力脈動、主軸扭矩脈動及補氣試驗

壓力脈動和主軸扭矩試驗是在電站裝置空化係數時，分別對應真機額定、最高、最低和加權平均水頭下進行的，共抽取了小開度下有代表性的１０個工況點進行見證試驗。壓力脈動試驗共布置了５個測點，分別是：蝸殼進口１個、尾水管上部２個、頂蓋與轉輪之間１個、活動導葉和轉輪之間１個。

壓力變送器的壓力脈動結果通過ａ／ｄ轉換後記錄並顯示在示波器，同時進行頻譜分析，見證試驗結果（見表３）與初步實驗結果偏差在誤差範圍內。由試驗結果可見，模型水輪機各測點的壓力脈動幅值均小於合同保證值。為了盡可能減少尾水渦帶引發的低頻振動，東芝水電在轉輪洩水錐後延伸了一段帶孔的圓筒部件，最低處與轉輪下環底部對齊（見圖３），試驗證實，這一改進對減少渦帶發生機率有明顯的效果，該部件能有效破壞和阻礙渦帶的形成。

表３壓力脈動試驗資料

測點位置

對應真機水頭

對應真機出力

壓力脈動峰峰值

ｈ（ｍ）

ｐ（％）

保證值（％）試驗結果（％）

主軸扭矩試驗在合同中未作要求，本次驗收試驗僅作參考。利用貼在主軸上的應變片測量，再通過ｆｍ遙測訊號傳送裝置傳送到接收器，經計算、轉換

後記錄在示波器，同時進行頻譜分析，試驗結果與初步試驗吻合。

圖３改進的洩水錐及試驗**

在壓力脈動試驗過程中，為了驗證補氣對壓力脈動特性的影響，還通過改變主軸中心補氣量來證

實補氣效果。試驗中對對應真機最低水頭１３１．２６ｍ

時小開度的兩個工況點進行了補氣試驗，採用的補氣量分別為流量的０．３％、０．６％和１．０％。試驗證實，補氣對減小壓力脈動幅值效果不明顯，但對減小低頻脈動有利，觀察到補氣前引起低頻振動的渦帶被空氣流破壞。當補氣量為０．３％～ｏ．６％時可以使效率

提高補氣量到１％時，噪音增大，效率有下降的趨勢。

指數試驗

指數試驗是用來尋求同一過流斷面上兩個側壓孔之間的壓差值ａｈ與流量ｑ之間的關係的，通常為指數關係，即ｑ＝ｋ×△ｈ　，比例係數ｋ和指數ｔｌ，可以通過在模型機上的試驗確定，再換算應用到真機上。

驗收試驗選擇了蝸殼進口附近與蝸殼進口麵成４９。５。的斷面，通過對應真機在４個典型水頭下的試驗結果確定模型比例係數ｋ　及指數ｎ　，測量結果與初步試驗結果吻合，其中為換算為原型機時即原型機流量採用壓差法測量時，流量為

３分析與結論

（１）模型試驗臺綜合誤差小於０．２５％，重複性小於０．１％，滿足ｉｅｃ規程及合同對驗收試驗的要

求；模型各部件製造採用了先進的數控加工技術，加

工精度在公差範圍內，

保證了試驗的效果，為驗證設計創造了條件。

（２）模型水輪機各項效率指標均優於合同保證值，

出力滿足合同要求，機組具有很好的能量特性；模型水輪機空化係數（初生及臨界）均低於合同保證值，且空化安全裕度較大，表明為江坪河電站設計的

第４期黃大俊，等：江坪河水電站水輪機模型驗收試驗及分析４３

水輪機具有優良的空蝕特性；最大可能的飛逸轉速響而對洩水錐所做的改進是簡單、實用、有效的，對

低於保證值，保證了機組飛逸狀態下的結構安全；模新建或已建成執行的機組都有參考價值，值得進一

型流道內壓力脈動幅度均小於合同保證值，根據現步研究推廣。

（５）試驗表明：少量補氣雖然無助於減小壓力階段研究成果來看，在中、高出力時，原型機與模型

但對低負荷下改善流態、減小低頻振動對壓力脈動幅值基本一致，低負荷時由於流動隋況復脈動幅值，

在電站執行期間應雜，對應關係不十分明顯，根據對三峽水輪機研究結機組的危害、提高機組效率有利，

果，低負荷下原型機壓力脈動幅值一般低於模型，預保留這一手段。

（６）江坪河電站水輪機的比轉速為計原型機具有較好的壓力脈動特性。從江坪河水輪

０６０，根據已建成的電站對水輪機比轉機模型試驗結果可以預見，在模型基礎上設計的原比速係數為２

型機具備良好的效能，可以以模型尺寸為基礎進行速、比速係數統計來看，與其它中高水頭混流式水輪

機相比較，江坪河電站水輪機比轉速和比速係數均真機的設計、製造。

（３）由於為江坪河電站設計的轉輪摩擦聯軸節需要大尺寸的法蘭，受結構限制，轉輪上未開洩壓

處於相對較低水平。實踐證明，較低的比轉速對增大機組穩定執行範圍十分有利，本次模型試驗也驗證

孑ｌ，因此頂蓋與轉輪間隙洩壓採用了平衡管方式，平了這一觀點。對於以調峰、調頻為主的的江坪河水電

衡管一端開在頂蓋、另一端與尾水連通，這也是目前站電站來說，這種特性尤為重要。較常見的方式，試驗結果證明該方式對於減小軸向

水推力有效。但這種方式的缺點是：當出現較大洪參考文獻：

水、尾水位公升高較多時，尾水壓力通過平衡管作用於頂蓋，會對軸向水推力帶來不利影響，機組執行期間也要注意平衡管上的閥門是否開啟。

（４）東芝為減小尾水渦帶對機組執行的不利影

（上接第３１頁）

水輪機、蓄能幫浦和水幫浦水輪機模型驗收

試驗［ｓ］．

［２］趙越，呂延光，等．近年來水輪機模型試驗技術的發展［ｊ］．

大電機技術

緊器、千斤頂、導鏈等工具調整座環的中心及方位，使座環上的　、ｙ標記與鋼琴線重合，方位偏差≤±２ａｒｉｎ。架設求心器，掛鋼琴線測量座環上下鏜口、導軌、下止漏環配合面的圓度和同軸度。測量上、下法蘭面與轉輪支承平面之間的距離，計算各法蘭面的加工餘量。

場加工主要加工部位：①座環上法蘭平面及盤根槽；

②筒閥上導軌及帶導軌的導葉出水邊；③座環下鏜

座環的各項尺寸調集成格後，打緊並點焊楔子板，頂緊並點焊千斤頂，對稱、均勻地按設計要求預緊地腳螺栓到設計值（２７００ｍｍ螺栓伸長量４．３ｍｍ，預緊力螺栓伸長量２．６ｍｍ，預緊力２　８３０ｋｎ），複測座環中心、方位、水平、高程符合規範要求並驗收。

安裝大舌板與蝸殼尾節，並進行焊接。座環基礎螺栓二期混凝土澆築後，焊接基礎環與錐管之間的

３結語焊縫；在混凝土澆築後，焊接基礎環與座環的焊縫。

一口；④座環底環板平面；⑤座環轉輪支承平面；⑥止漏環配合面、止漏環內環面。

在立車上支臂吊人機坑前，先將下止漏環整體吊入機坑並擺放在銑床底座支架上，待止漏環配合面加工完畢焊接在座環上，這樣可縮短工期且減少道重複吊裝和調整立車的工序。吊裝立式銑床，調整中心立柱的垂直度和中心位置（以上鏜口為基準，利用內徑千分尺或直接在刀架上支放百分表進行檢測），並調整加工臂的水平度滿足要求。銑床控制系統安裝除錯後進行試車加工，從基礎環開始，自下至上的順序進行機加工。

２．５座環現場機ｊｊ￣－ｒ

隨著國內大型水電站的不斷開工，為解決運輸

和消除蝸殼安裝、焊接和混凝土澆築引起的座環變形，大型座環勢必在現場組焊和加工。

目前，國內大型混流式水輪機座環現場組焊與

安裝技術已經趨於基本成熟。本文通過對錦屏二

級水電站座環現場組焊與安裝技術的實踐、總結、

研究和創新，形成了一套完整的大型混流式水輪機

為縮短座環現場機加工工期，將其安排在機坑座環快速現場組焊與安裝工藝與方法，希望對國內裡襯混凝土澆築後進行的，待澆至發電機層且機坑不斷開工建設的大型水電站和巨型水電站提供借鑑交面時機加工已進行完畢。錦屏二級水電站座環現和參考。

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