水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力
特性
摘要：可逆式水泵水轮机设计需要兼顾水轮机和水泵两种工况。

水泵工况属
于减速流动，相较于水轮机工况更容易发生流动分离，在水泵水轮机设计中，对
水泵工况的各项性能设计指标考核更为严格。

水泵水轮机泵工况的流量扬程特性
曲线在高扬程小流量下通常存在局部曲线斜率为正值的不稳定区域，称为驼峰区。

在抽水蓄能电站实际运行中，驼峰区难以避免，其不仅影响水泵水轮机泵工况高
扬程条件下的启动和运行，同时还会产生较强的振动、噪声、功率摆动、水压波
动等不稳定现象，直接影响机组安全稳定运行。

鉴于此，本文对水泵水轮机泵工
况压力脉动和转轮受力特性进行分析，以供参考。

关键词：水泵水轮机;水泵工况;压力脉动;旋转失速;转轮受力
引言
本文采用SAS－SST湍流模型对某模型水泵水轮机在非设计泵工况的流态进
行了三维非定常数值模拟，分析不同工况下流动特性对压力脉动和转轮受力的影响。

1数学模型
1.1计算体型和网格划分
计算区域包括蜗壳、导叶、水轮机和尾水管。

考虑到在非设计工况下，尾水
管内回流可能会对边界条件给定产生影响，对尾水管进口段适度延长。

1.2网格及时间步长
在网格划分时，蜗壳采用四面体网格;导叶区采用楔形网格;转轮和尾水管采
用六面体网格，并对活动导叶和转轮叶片设置边界层网格，使近壁面Y+小于10。

图1展示了额定工况下水泵扬程随网格数量的变化情况，当网格数量大于450万时，计算所得扬程变化小于1%。

考虑到计算时间和流场结构的解析精度，最终选取总网格单元数为882万的划分方式。

图1网格敏感性分析
2机组能量特性
图2为活动导叶相对开度随流量系数Cφ的变化规律。

其中，相对开度计算公式为
式中α———活动导叶开度，αmax———最大开度
图2活动导叶相对开度随流量系数的变化曲线
在上述导叶开度规律下，图2对比了数值模拟与试验测试的机组能量特性曲线，即不同流量系数Cφ下的扬程系数Cψ与效率η变化曲线。

图3扬程系数与效率随流量系数的变化曲线
从图3可以看出，CFD模拟得到的扬程系数与效率，相比于试验值，具有相同的变化趋势。

由于CFD计算未考虑圆盘摩擦损失，因此尤其在小流量下的扬程系数与效率相对较高，但属于正常范围。

因此可知，CFD模拟的结果较为准确，可以作为可靠的分析工具，分析水泵水轮机内部流动及力特性。

3尾水管内压力脉动和流态变化特性
对尾水管内的4个测点的压力脉动进行频谱分析，尾水管内压力脉动在各频段脉动幅值均小于无叶区压力脉动幅值。

在流量大于0.4Qb时，尾水管压力脉动存在与无叶区内压力脉动频率一致的低频成分，但幅值只有无叶区的10%左右，说明旋转失速引起的低频压力变化向尾水管传播，但幅值衰减较大。

旋转失速引起的低频脉动成分幅值在0.6Qb达到最大，是0.8Qb工况的2倍左右，而在
0.4Qb工况幅值出现下降，这与无叶区最大值发生在0.4Qb有所差别。

当流量降低到0.3Qb时，转轮进口附近DT1和DT2测点的压力脉动在低频和叶片通过频率9fn的幅值均显著上升，达到0.8Qb工况的5倍以上。

图4展示了典型工况下尾水管内的流态和涡结构，涡结构同样以Q判据等值面描述，Q值取5×104s－2。

当流量大于0.4Qb时，水流从尾水管整体平顺进入转轮，如图4(a)所示。

当流量减小到0.4Qb时，部分流入转轮的水流从转轮进口下环侧沿着尾水管边壁反向流回尾水管，如图4(b)所示。

随着流量的进一步减小，尾水管边壁的回流加剧，反向流速增大，回流区可延伸到尾水管弯肘段，如图4(c)所示。

图4不同工况下尾水管内部流态
5过流特性分析
5.1“倒Ｓ型”区域不稳定
水泵水轮机导叶关闭时间较常规机组慢，但也不能太慢。

对于常规水电站，较长的关闭时间理论上可改善蜗壳的水击压力和尾水管真空度，但对于抽水蓄能电站，导叶关闭时间过长会使甩负荷机组转速上升过大的同时，使得机组在高转速区停留时间加长。

在水轮机制动区和反水泵区之间，一个单位转速对应几个单位流量，其中还有负流量出现，机组运行在该区域时极其不稳定。

虚线表示的敦化机组运行轨迹线知，甩负荷后，机组越过飞逸曲线进入“倒Ｓ型”区域，在该区域内多次进出反水泵区，流量发生明显摆动，从而诱发水力振荡。

虽然振荡能逐渐消除，但导叶关闭时间过长对机组不利。

由此蓄能机组甩负荷后导叶关闭时间也不能太长。

5.2转速上升率低
转速上升率低是高水头蓄能机组甩负荷后的另一特点，在某些过渡工况下，机组甩负荷以后，即使导叶不动作，机组转速上升率也不会超过设计允许值。

敦化电站两台机同时甩负荷，导叶均拒动，机组转速上升率为额定转速的１４３．７％，未超过设计允许值１４５％。

对高水头蓄能电站来说，转速上升和蜗壳压力上升之间矛盾不是很尖锐，降低蜗壳进口压力和提高尾水管进口压力，才是导叶关闭规律优化的重点。

结束语
这一系列的不稳定现象与非设计工况下水轮机内部的复杂流动结构密切相关，由流态恶化诱发的压力脉动和转轮径向受力是引起不稳定现象的重要因素。

因此，研究水泵水轮机泵工况非设计工况下的压力脉动和转轮叶片受力特性，揭示内部
流动机理，对水泵水轮机优化设计和抽水蓄能电站安全运行控制具有十分重要的
意义。

参考文献
[1]王青华,冯波,李冬冬,顾希明,张书友,杨丽君,姜泽界.基于CFD的水泵水
轮机推力轴承润滑性能流固耦合研究[J].水力发电,2020,46(02):75-78+118.
[2]张金凤,瞿晔飞,贾静,蔡海坤.带分流叶片水泵水轮机特殊工况内部流场
特性[J].华中科技大学学报(自然科学版),2019,47(12):43-47+54.
[3]李萍,宁楠.水泵水轮机水轮机工况转轮流动特性分析[J].中国农村水利
水电,2019(05):179-183.
[4]杨静,韩文福,周喜军,丁景焕.水泵水轮机比转速与空化系数统计分析[J].水利水电技术,2019,50(03):117-123.
[5]李怡心,周大庆,于安.模型水泵水轮机的尾水管旋涡空化流动分析[J].可
再生能源,2019,37(02):303-309.
[6]肖琼,张春泽,夏林生,刁伟.水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性[J].水利水电技术,2019,51(07):53-62.。