安装调压阀对水轮机效率影响试验研究

王修礼，王柏柏，周同旭，董 麟,张振中

（天津电气科学研究院有限公司国家能源中小水电设备重点实验室，天津 300180）

1 引言

随着科学技术的进步，调压阀技术和性能得到了快速的发展和提高，使用调压阀替代调压井在水轮发电机组应用越来越广泛，得到很好的经济效益和社会效益。

调压阀的安装，通常在水轮机蜗壳开孔安装调压阀进水管，然后把水排进水轮机尾水管。这样对水轮机的流道有一定的破坏，对水轮机的性能是否产生不利的影响，影响程度如何，一直是用户关注的问题，本试验旨在通过模型试验推导出具体的定量结果。

通过对安装调压阀的某电站进行CFD三维定常湍流计算[1]，得出如下结论：流场分布相同，对水力性能影响甚微，理论计算结果效率下降0.02%。

水轮机的性能研究是一门试验科学，为验证计算的准确性和科学性，解决用户关切，通过模型试验对安装调压阀前后的实验结果进行了比较，并通过试验推导出对水轮机效率影响的推荐公式。

2 调压阀的安装位置布置尺寸

试验在天津电气科学研究院有限公司的国家能源中小水电设备重点实验室的水力机械试验台上进行，该台的精度为水轮机效率综合误差小于0.25%。

试验参数如表1：

表1 试验参数

调压阀安装位置和布置尺寸图1：

调压阀进口直径与蜗壳进口直径的比例为0.3，可以满足一般机组泄流的要求。根据调压阀的流量特性，选择的调压阀一般要求能够卸掉机组超过空载流量以上的流量。

图1 调压阀安装位置和布置尺寸

3 效率试验

3.1 效率试验参数

试验水头：H=8 m

单位转速范围：n11=70～200 r/min

单位流量范围：Q11=1 000～1 850 L/s

对应转速范围：n=650～1 600 r/min

对应流量范围：Q=0.30-0.64 m3/s

效率试验选择在桨叶为Φ=+50，水轮机的导叶开度从A0=30°到A0=50°以5°为梯度进行。效率试验结果以效率曲线表示。

3.2 效率试验结果

经过对调压阀安装前后水轮模型机三种情况下效率试验结果的分析，可得出仅蜗壳处开孔，效率值会降低0.1%～0.3%，完全安装调压阀后（再加上尾水管开泄流孔），效率会降低0.2%～0.4%。随着流量的增大，相应的损失也逐渐增大，在尺寸一定的情况下，局部损失与流速的平方成正比，也就是与流量的平方成正比，换算成与水头的比值，即换算成效率的损失与单位流量的关系，效率损失用公式表达为：

式中：△η：安装调压阀后试验效率损失；

KT：单位流量表示的效率损失系数；

KTS：涡壳进口单位流量表示的效率损失系数；

Ds：涡壳进水口直径；

Q：水轮机试验流量；

Q11：水轮机的单位流量；

H：试验水头。

试验后分别计算出每个试验点的KTS，具体试验结果见表2和表3。

仅在蜗壳处开孔时的效率损失系数的平均值：

完全安装调压阀后效率损失系数值：

效率损失与涡壳直径、水头和流量相关，不同水头段转轮直径D1与涡壳进口直径Ds比值变化较大，因此把损失系数KT（以转轮直径D1表示的单位

流量）换算成KTS（以涡壳进口直径Ds表达的涡壳进口单位流量）更容易表达影响特性。换算关系为：

效率试验典线见图2～图5。

图2 在蜗壳处开孔安装调压阀效率曲线对比

表3 完全安装调压阀效率试验数据（η 前：未安装阀门，η2：仅蜗壳处连接阀门）

从图2曲线上可以看出，各A0导叶开度下，效率影响虽然很小，但都有所下降。

图3 在蜗壳处开孔安装调压阀单位流量曲线对比

从曲线上可以看出，各A0导叶开度下，效率影响依然很小，但影响略有增加。

从曲线上可以看出，各A0导叶开度下，单位流量影响还是很小，一般都在0.1%，可以忽略不计。

4 结语

水轮机安装调压阀，在涡壳上开孔安装调压阀进水管，在尾水管水平扩散段开孔安装调压阀出水管，水轮机水力效率略有下降，对单位流量和单位转速的影响可以忽略不计，效率下降数值在0.1%～0.4%的范围内，可按下列公式近似计算：

式中：KTS为效率影响系数。

本次试验条件下，KTS=0.2138。

DS为涡壳进口直径

一般情况下，水头段在100 m以上的机组，效率影响值在0.1%以下，可以忽略不计； 水头段在100 m以下的机组，流量相对较大，可以按上式进行计算。对流量和转速的影响可以忽略不计。

[1]冯志丹.老挝某电站调压阀对水轮机水力性能的影响[M]//中国水利发电工程学会水利机械专业委员会，中国电机工程学会水电设备专业委员会，中国动力工程学会水轮机专业委员会.水电设备的研究与实践：第20次中国水电设备学术讨论会论文集.北京：中国水利水电出版社，2015.