空化诱导的轴流式水轮机转轮径向振动特性研究_门羿.pdf

2023.3大 电 机 技 术空化诱导的轴流式水轮机转轮径向振动特性研究门羿1，朱国俊1，冯建军1，王晓航2，3，张乐福1(1.西安理工大学，西安 710048;2.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040;3.水力发电设备全国重点实验室(哈尔滨大电机研究所)，哈尔滨 150040)摘要转轮的径向振动特性对水轮机转子系统的稳定性至关重要。为了研究空化对轴流式水轮机转轮径向振动特性的影响规律，本文首先搭建了包含激光测振仪(Laser Doppler Vibrometer，LDV)的非接触式振动测试系统，并结合高速摄影系统获得了不同空化状态下的转轮内部流场图像以及转轮径向振动信号。然后对转轮内部流动图像及振动信号进行了综合分析，结果表明:从无空化到空化初生阶段，空化系数的降低对转轮径向振动基本没有影响;空化初生以后，转轮径向振动的幅值会随着空化程度的加剧而急剧上升。转轮内部空化流动形态的转变是转轮径向振动频域特性改变的根源。从空化初生到完全空化阶段，转轮径向振动的能量会出现向低频区域迁移的趋势，增加机组共振的风险。本文的研究对轴流式水轮机稳定运行以及经济性具有重要意义。关键词轴流式转轮;空化;径向振动;时频分析;多重信号分类 中图分类号TK730.3+23 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0051-07Study on the adial Vibration of Kaplan Turbine unner Induced by CavitationMEN Yi1，ZHU Guojun1，FENG Jianjun1，WANG Xiaohang2，3，ZHANG Lefu1(1 Xian University of Technology，Xian 710048，China;2 Harbin Electric Machinery Co，Ltd，Harbin 150040，China;3 State Key Laboratory ofHydro-power Equipment(Harbin Institute of Large Electrical Machinery)，Harbin 150040，China)Abstract:The radial vibration characteristics of the runner are very important to the stability of theturbine rotor systemIn order to study the influence of the cavitation on the radial vibrationcharacteristics of the runner of Kaplan turbine，a non-contact vibration testing system including LaserDoppler Vibrometer(LDV)is firstly established Then the images of flow in runner and radialvibration signals of runners under different cavitation conditions are obtained by combining high-speedflow visualization system with the non-contact vibration testing system Finally，the flow images andvibration signals of the runner are comprehensively analyzed The results indicate that the reduction ofcavitation number has no effect on the radial vibration of the runner from no cavitation to the inceptionof cavitation After cavitation inception，the amplitude of runner radial vibration rises sharply withcavitation degree enhanced The transition of cavitation flow pattern inside the runner is the source ofthe change in frequency domain characteristics of runner radial vibration From the inception ofcavitation to the complete cavitation，the energy of runner radial vibration tends to migrate to lowfrequency region，which increases the risk of unit resonance The research results of this paper are ofgreat significance to the stable operation and economy of Kaplan turbineKey words:Kaplan runner;cavitation;radial vibration;time-frequency analysis;multiple signalclassification基金项目:国家自然科学基金(52079108);国家自然科学基金(51909212)0前言水轮机是水电开发中的核心机械设备。随着可开发的中高水头水能资源的日益减少，低水头水能资源成为了未来水能开发的重点方向。轴流式水轮机作为低水头水能资源开发的两种主要机型之一，其性能直接影响低水头水能资源的开发效率1-3。空化是限制轴流式水轮机运行区域大小的主要指标之一，空化诱15空化诱导的轴流式水轮机转轮径向振动特性研究2023.3导的空蚀不仅会损坏水轮机转轮过流部件的表面，还会诱导转轮的径向振动进而影响水轮机转子系统的稳定性。因此，亟待开展空化对轴流式水轮机转轮径向振动特性的影响研究，对提升轴流式水轮机运行稳定性具有重要意义。近年来，许多学者对空化现象的危害做了一系列的研究，揭示了空化与固壁面间的相互作用规律，也分析了影响空化的基本因素4-7。在水轮机领域，空化现象也是难以根除的问题。通过计算流体动力学分析以及模型试验观测等方法，人们对水轮机内部的空化产生机理及其外在表现形式有了一定的了解8-12，但仍不足以支撑设计人员在水轮机设计过程中有效地抑制空化现象。为深入探索水轮机空化的影响因素，孙洁等13 研究了运行水头对两叶片贯流式水轮机空化性能的影响，阐明了两叶片贯流式水轮机容易出现空化现象的运行水头段;史广泰等14 分别对不同导叶开度下转轮叶片表面压力、空泡体积分布规律进行分析，结果表明负荷变化过程中导叶开度对转轮叶片空化性能的影响显著;徐洪泉等15 采用综合理论分析与模型试验方法研究了诱发贯流式水轮机尾水管压力脉动的水力因素，发现尾水管高倍转频压力脉动的诱因为转轮叶片或导叶端面间隙空化;占梁梁等16 采用空化监测系统对轴流转桨式原型水轮机的空化特性进行了监测，通过对振动信号的分析发现水轮机空化强度与机组出力呈正相关关系;徐用良等17 研究了试验水头和空化系数对混流式水轮机尾水管压力脉动特性的影响，阐明了空化系数的变化不仅影响压力脉动的幅值还影响其频率分布，而试验水头对压力脉动幅值的影响较小。上述研究集中于分析水轮机空化现象的影响因素以及空化对水轮机压力脉动幅频特性的影响规律，获得了大量有指导意义的结论。综合现有文献资料可以发现，大部分学者认为空化对水轮机稳定性的影响具体表现为空化对水轮机压力脉动频幅特性的影响，而极少关注空化对水轮机转轮振动特性的影响。转轮作为水轮机整个转子轴系中的主动部件，其稳定性决定了水轮机转子轴系的动力学稳定性。转轮叶片空化形成的空泡群及云状空化会对转轮形成冲击力，进而导致转轮径向振动加剧，影响水轮机的稳定性。基于自行搭建的非接触式转子径向振动测量系统，本文拟测试轴流式水轮机转轮在不同空化状态下的径向振动特性，并分析空化程度对轴流式转轮径向振动时频特性的影响规律，为轴流式水轮机转子系统的稳定性分析提供依据。1试验装置及其测试方法为研究空化对转轮径向振动的影响规律，本文搭建了基于激光测振仪的非接触式振动测量系统。该系统包括激光测振仪、便携式数据采集卡以及对应的采集软件。基于该振动采集系统与转轮内部流态摄像系统，本文对某 5 叶片轴流式水轮机模型进行了不同空化状态下的转轮振动测试，该水轮机模型的相关参数见表 1。表 1水轮机模型参数水轮机参数数值转轮叶片数5活动导叶数24转轮直径/m0.35额定单位流量/(m3 s1)1.73额定单位转速/(r min1)209本文中的水轮机模型试验在满足 IEC 60193 测试要求的高精度水力机械试验台上完成，水轮机模型效率的试验综合误差为 0.194%。不同空化系状态下的转轮径向振动信号采用非接触式振动测量系统进行采集，该系统中的核心设备为高精度便携式多普勒激光测振仪，该测振仪的灵敏度为 100mV/(mms1)。该测振仪的原理是发射激光照射到待测目标上，同时收集目标反射激光，经过干涉产生正比于目标速度的多普勒频移信号，然后经过运算输出被测物的振动速度。在试验台二层的裸露主轴处，还采用光电转速传感器实现转子相位的记录，为后期振动数据的相位分析提供依据。采集得到的转轮径向振动数据和相位数据会通过便携式数据采集模块输入采集系统，然后再进行后处理。试验中还采用高速 CCD 摄像机加闪频仪记录不同空化数下转轮内部的空化图像，从而为水轮机不同空化状态的判定奠定基础。测试系统的现场布置图如图 1 所示。试验过程中，通过改变水轮机空化系数 来实现轴流式水轮机由无空化到完全空化状态的变化。本文选取了试验过程中水轮机转轮 4 种不同的典型空化状态进行转轮径向振动的测量，这四个空化状态分别为无空化、空化初生、空化发展以及完全空化状态，各个空化状态对应的空化数见表 2。在表 2 所记录的各个空化状态下采集转轮径向振动信号，为了保证测量数据的准确性与精度，设置采样频率为 10.24kHz。252023.3大 电 机 技 术图 1同步测试系统布置现场图表 2空化试验过程中空化系数 的取值空化工况编号空化系数 空化状态工况 11.9无空化工况 21.5空化初生工况 31.3空化发展工况 41.1完全空化2试验结果与分析2.1不同空化状态下转轮径向振动强度分析在轴流式水轮机模型的空化试验中，通过高速摄像记录了不同空化系数下转轮内部的空化图像，其中，空化初生的状态按 GB/T 15613.1 中的准则判定。最终，表 2 记录的轴流式水轮机模型转轮的 4 个空化状态图像如图 2 所示。从图中可以看出，无空化状态时，转轮叶片上无任何气泡产生。在空化初生状态时，转轮叶片轮缘处的中后部开始出现小尺度泡状空化。随着空化系数 的进一步下降，转轮叶片轮缘中后部和轮毂间隙处开始出现片状和云状空化混合的空化形态，且水轮机效率开始下降，此时为空化发展阶段。当空化系数 下降到 1.1 时，转轮叶片吸力面靠近轮缘处出现了大尺度泡状空化、片状空化以及云状空化混合的复杂空化形态，表明转轮已进入完全空化状态，此时空化系数已低于临界空化系数。采用激光测振仪对转轮径向振动信号进行测量，并通过光电转速传感器采集水轮机转轮相应的相位信号，可绘制出不同空化状态下转轮在一个旋转周期内的径向振动时域信号如图 3 所示。图 2不同空化阶段的空化图像由图 3 中可以看出，随着转轮叶片空化程度的加剧，转轮的径向振动幅值随之增加。转