水泵水轮机不同导叶开口的驼峰特性分析

摘要：对于水泵水轮机，其泵工况下的驼峰问题无法避免。驼峰是一种与机体结构及其内部流动密切相关的反映在性能曲线上的一种不稳定现象。该问题不仅影响水泵水轮机泵工况高扬程条件下的起动和运行，同时还会产生较强的振动和噪声，直接影响机组安全稳定运行。目前，该问题已成为制约水泵水轮机发展的瓶颈和挑战。

关键词：水泵水轮机；不同导叶；驼峰特性

1水泵水轮机不同导叶开口的发展

抽水蓄能机组经历了100多年发展历史，其动力设备由当时的四机（发电机、电动机、水轮机和水泵4个主要部件）精简为现在的两机（发电电动机和水泵水轮机2个主要部件）和多级水泵水轮机（发电机和多级水泵水轮机2个主要部件）。水泵水轮机的研发是抽水蓄能技术核心，其发展趋势是单机容量越来越大，水头、转速越来越高，效率也接近常规水泵。

2水轮机存在的问题

水轮机与常规水电机组水轮机相比，抽水蓄能机组水泵水輪机还有其特殊的稳定性问题，主要包括水泵工况驼峰区稳定性问题、水泵工况启动过程的稳定性问题、水泵工况异常低扬程时稳定性问题和低水头水轮机工况启动时“S”区稳定性问题。

2.1泵水轮机的水头和转速均较高且启动、停机频繁

由于水泵水轮机的水头和转速均较高且启动、停机频繁，水泵水轮机的稳定性与可靠性问题更加突出，因此国内外对水泵水轮机的主要研究包括“驼峰”区和“S”区运行机理与稳定性研究、导叶翼型优化设计研究、叶片出水边的旋涡脱流研究、旋转部件与静止部件之间的相互作用研究（动静干涉）、水泵水轮机工况转换过渡过程稳定性、可靠性和转换速度优化研究等。对中国而言，接下来的20年是抽水蓄能发展的黄金时期，驼峰区水泵工况启动作为抽水蓄能电站过渡过程研究的最重要组成部分，对驼峰区稳定性问题进行研究具有重要意义，但是并没有针对水泵水轮机驼峰特性展开研利用CFD技术模拟了泵工况运行下的流场，得到了较为准确的扬程一流量曲线，并且发现在即将进入驼峰区时，活动导叶间存在强烈的旋涡，流动情况变得恶劣。采用非常定数值模拟方法得知驼峰特性与双列叶栅的旋涡结构有关。利用改进的可压空化模型对水泵水轮机水泵工况性曲线驼峰区进行数值模拟，得到了与试验数据较接近的结果，改进后的湍流模型能更好地预测。

2.2驼峰特性

驼峰特性与空化特性有关。水泵水轮机在高扬程、小流量区运行存在驼峰稳定现象，将使水电机组产生功率摆动和系统振荡。目前在工程上的解决方法是不稳定的最小水头与正常运行的最高扬程必须有一定的安全裕度（一般大于2%），认为可逆式水轮机最高扬程驼峰区安全裕度的选取非常重要，并对泵工况性能产生较大影响，建议水泵水轮机最高水头的驼峰区安全裕度不考虑电网频率低于50Hz的情况，这样可减小直径约2%，提高水泵平均效率0.2%～0.5%，降低水泵入力3%以上，提高水轮机平均效率0.3%～0.5%，同时改善水泵水轮机的抗空化性能并提高水轮机空载稳定性。

3水泵水轮机试验

3.1水泵水轮机模型

该水泵水轮机为某抽水蓄能电站水泵水轮机模型，为立轴、单级、混流可逆式。真机水轮机额定水头为447m，额定转速为375r/min，水轮机工况额定输出功率不小于382.7MW，水泵工况最大毛扬程为497.0m，50Hz发电电动机通过主轴法兰直接连接。水轮机工况俯视顺时针方向旋转，水泵工况俯视逆时针方向旋转。

3.2试验仪器与参数精度

试验台装有高精度的流量、差压传感器、绝压传感器、力矩传感器等原位标定系统，各试验参数的测量精度和运行稳定性满足国家标准和IEC有关规程的要求，标定软件采用LabVIEW开发的测试系统。流量计为美国R 0SEMOUNT电磁流量计，测量精度达到0.15%，试验前采用称重法进行标定，用小罐称重传感器所测量的罐内水的重量作为标准值，将小罐内水注入大罐同时采集大罐称重传感器的电量值，通过最小二乘法建立标准重量值与电量值的关系。水头和尾水传感器采用美国R 0SEMOUNT公司生产的3051型差压和绝压传感器，测试精度为0.075%。力矩传感器由德国赛多利斯公司生产，测试精度为0.04%，力矩传感器垂直安装以保证力的完全传递，测得的作用力乘以相应的力臂即获得作用力矩，对力矩传感器的标定是由作用于托盘上的标准砝码的重量与传感器的输出电量所确定的。

随着流量的减小，扬程升高，但是在各个开口低负荷、高扬程区域出现扬程下降现象；流量继续减小，扬程又再次升高，因此在这个区域出现一个正斜率区域，通常水泵水轮机运行在这个区域，将会出现剧烈振动、噪声等不稳定现象，从而影响机组安全稳定运行；该水泵水轮机水泵工况最优开口为27mm，随着开口减小，在低负荷区水泵工况扬程越高，扬程趋势越陡，同时驼峰现象更明显。

3.3小流量工况下转轮内部流态

机组在小流量工况下运行时，转轮出口流动呈现明显非对称性。紊乱的流动特征引发转轮内部与扩散段中产生涡结构与二次流结构。由于不良流态的出现，过流部件水力损失显著上升，并引发扬程的下降，导致机组形成扬程一流量曲线的驼峰区域。因此，改善小流量工况下转轮内部流态对于改善水泵水轮机驼峰特性具有重要的作用。该研究内容阐明了驼峰特性对水泵水轮机造成不良影响的机理，对改进机组水泵工况的水力性能提供了参考与帮助，对于水泵水轮机的稳定运行具有重要意义。

4不同导叶开口的驼峰特性

（1）对某一电站水泵水轮机模型水泵工况进行试验研究，得到了不同导叶开口下驼峰特性规律。随着活动导叶开口减小，在低负荷区水泵工况扬程越高，扬程趋势越陡，同时驼峰现象更明显，但是驼峰区域变小。

（2）在试验研究的基础上，对该模型进行三维实体建模和网格划分，并进行数值模拟。采用4种湍流模型分别对19mm活动导叶开口不同工况点进行数值计算，并与试验结果进行对比，最终确定SSTk-ω湍流模型。

（3）选取13mmm、19mm、25mm活动导叶开口，采用SSTk-ω湍流模型准确预测了扬程、力矩和效率与流量的关系曲线。结果表明，在25mm大开口下扬程、力矩、效率模拟误差比较理想，在19mm活动导叶开口下低负荷区和驼峰区误差较大，约为5%，在13mm活动导叶开口下小工况数值模拟误差最大，超过5%，有些工况甚至达10%。

（4）得到了水泵水轮机泵工况19mm活动导叶开口从低负荷工况点到超负荷工况点流动特性，认为驼峰特性与转轮流道内和固定导叶中部分流道流动分离和旋涡有关。