考虑流体可压缩性的高水头水泵水轮机性能研究与优化
DLT 5186—2004 水力发电厂机电设计规范 条文说明
DLT 5186—2004 水力发电厂机电设计规范条文说明中华人民共和国电力行业标准PDL/T5186-2004条文讲明中国电力出版社水力发电厂机电设计规范主编部门：水电水利规划设计总院批准部门：中华人民共和国国家经济贸易委员会2004 北京目次1 范畴52 引用标准53 总则54 水力机械54.1 水轮机选择 54.2 进水阀214.3 调速系统及调剂保证244.4 主厂房起重机304.5 技术供、排水系统及消防给水32 4.6 压缩空气系统414.7 油系统464.8 水力监测系统485. 电气515.1 水电厂接入电力系统515.2 电气主接线 565.3 水轮发电机/发电电动机74 5.4 主变压器815.5 高压配电装置875.6 厂用电及厂坝区供电925.7 过电压爱护和接地装置1015.8 照明 1065.9 电缆选型与敷设1076. 操纵爱护和通信1116.1 总体要求 1116.2 全厂集中监视操纵1156.3 励磁系统 1266.4自动操纵1276.5 运算机监控系统1286.6 继电爱护 1366.7 电测量和电能计量1376.8 二次接线 1376.9 厂用直流及操纵电源1416.10 通信 1457 机电设备布置及对土建和金属结构的要求1477.1 一样要求1477.2 主厂房1507.3 副厂房1537.4 变压器场地 1547.5 高压配电装置布置1587.6 中央操纵室及其它1657.7 直流设备室1717.8 水轮机/水泵水轮机输水系统1727.9 电梯1758 辅助设施1768.1 机械修配厂 1768.2 电气实验室 177附录A 水力机械术语、符号1781 范畴无需讲明。
2 引用标准无需讲明。
3 总则无需讲明。
4 水力机械4.1 水轮机选择4.1.1 水轮机型式及适用水头范畴见表1。
表1 水轮机型式及适用水头范畴混流式30～700 冲击式射流式水斗式300～1700当水电厂的水头段有两种以上机型可供选择时，应从技术特性（D1、nr、t、Hs）、经济指标（机组设备及起重设备造价、厂房土建工程量及其估价、多年平均发电量）、运行可靠性（包括水轮机运行的水力稳固性、设备使用的成熟可靠程度），以及设计制造体会、制造难度等方面，经技术经济比较后选定。
混流式水轮机的水力性能优化研究
混流式水轮机的水力性能优化研究概述混流式水轮机是一种常见的水力机械装置，被广泛应用于水电站和水资源利用项目中。
对于混流式水轮机的水力性能进行优化研究，可以提高其能效和发电能力，减少水资源的浪费。
1. 混流式水轮机的原理和特点混流式水轮机是一种将水能转换为机械能的装置。
其原理是通过引导水流进入轮机，经过转轮的作用，使水能转化为轮机轴上的机械能，从而驱动发电机组发电。
混流式水轮机的特点包括叶轮结构合理、转速范围宽、出力平稳等。
2. 水力性能优化的意义水力性能优化是指通过对混流式水轮机的结构和工作参数进行调整和改进，以提高其效率和性能。
优化混流式水轮机的水力性能可以降低发电成本，提高发电厂的经济效益，减少水资源的浪费，保护环境。
3. 影响水力性能的因素混流式水轮机的水力性能受到多种因素的影响，包括轮机结构、叶轮形状、进出口流道的设计、流量和转速的选择等。
其中，叶轮结构的优化、流道的流线型设计以及轴功率和效率的匹配是关键因素。
4. 水力性能优化方法（1）叶轮结构的优化：通过采用先进的设计工艺和材料，优化叶片的几何形状和叶片间隙的设计，以减小水流对叶轮的阻力，提高转轮的效率。
（2）流道的流线型设计：通过合理的流道设计，减小水流的阻力，降低能量损失，提高混流式水轮机的转化效率。
（3）轴功率和效率的匹配：根据工作条件的需求和电网负荷的变化，调整和匹配水轮机的叶轮转速和功率，以保持最佳的效率和性能。
（4）进口和出口流道的调整：通过优化进口和出口流道的形状和尺寸，减小流动阻力，提高转轮的效率。
5. 水力性能优化的实践案例水力性能优化的实践案例表明，通过合理的设计和调整混流式水轮机的结构和工作参数，可以显著提高其效率和性能。
例如，通过优化叶轮的几何形状和叶轮间隙的设计，可以提高叶轮的效率，降低转动阻力，使混流式水轮机的转化效率提高10%以上。
此外，在流道的流线型设计方面，合理使用隔音板和缩尺进口流道，可以降低流动阻力，提高转轮的效率。
水泵水轮机“S”特性与改善研究
水泵水轮机“S”特性与改善研究水泵水轮机在运行过程之中具有“S”特性，因为在某些程度上水泵水轮机的安全稳定运行因素也存在着制约，所以为了促进我国抽水蓄能技术的发展，需要针对水泵水轮机“S”特性进行分析与研究，从而提出其相应的水泵水轮机“S”特性改善措施，这对于预测水泵水轮机“S”特性具有现实意义，是优化我国水利机械水平的重要体现。
标签：水利机械；水泵水轮机；特性水泵水轮机“S”特性主要体现在了工况并网启动、转速与定水头预测方法等多个方面，所以在明确其水泵水轮机“S”特性的基础之上，应该利用现有的数学计算模型来对水泵水轮机进行相应的预测，从而加强对于数学的修正，最大程度上降低数值预测方法的实际误差，利用空间曲面活动导叶等多种形式，对于目前水泵水轮机“S”特性进行相应的优化。
一、水泵水轮机“S”特性的具体体现水泵水轮机“S”特性是指在机组处于或者接近全特性“S”区运行过程之中，机组会存在相应的不稳定现象，所以在不稳定机组进行投产试运行的过程之中，水头较低空载运行时转速来回摆动，并且在一定程度上会出现并网困难、发电并网之后的逆功率不断跳机等现象，所以为了提升空载的稳定性，在机组甩负荷的基础之上而能够实现空载稳定运行的现象，就要针对水泵水轮机“S”特性进行改善。
根据压力原理以及研究表明，水泵水轮机“S”特性是由压力脉动所引起的，而压力脉动则是由于导叶与转轮之间的动静干涉所引起的，所以要在水泵水轮机空载运行时掌握好压力脉动幅值最大的位置，从而预开启导叶与转轮之间，才能够更为明确地探究水泵水轮机“S”特性。
目前所采取的改进方式比如非同步预开装置等[1]，都是利用导叶开度的变化进行优化，但是虽然能够在一定程度上缓解水泵水轮机“S”特性，但是与此同时其水轮机的摆度以及振动幅度也相对增大，噪音音量持续提升，能够帮助水泵水轮机“S”特性短时间的运行改善，所以如何在长期运行的基础之上，针对水泵水轮机“S”特性进行优化是目前水泵水轮机发展过程之中所必须明确的重要问题。
镇安抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数选择及关键技术研究
镇安抽⽔蓄能电站⽔泵⽔轮机主要参数选择及关键技术研究赵妍(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)要：镇安抽⽔蓄能电站总装机1 400 MW，具备⽇调节性能，电站建成后将主要承担陕西省电⽹的调峰、填⾕、紧急事故备⽤和调频、调相、⿊摘要：启动任务。
⽂章对该电站可⾏性研究阶段⽔泵⽔轮机主要参数的优化选择及关键技术进⾏研究，为下阶段⼯作奠定了坚实基础。
关键词：镇安抽⽔蓄能电;⽔泵⽔轮机;参数选择;调节保证;泥沙；拆卸关键词1 电站技术参数镇安抽⽔蓄能电站位于陕西省商洛市镇安县⽉河乡东阳村。
地处西北电⽹负荷中⼼区域附近。
电站总装机1 400 MW，具备⽇调节性能，电站建成后将主要承担陕西省电⽹的调峰、填⾕、紧急事故备⽤和调频、调相、⿊启动任务[1-3]。
电站主要布置有上、下⽔库、上游阻抗式调压井、地下⼚房等建筑物。
引⽔系统、尾⽔系统均为1洞2机布置，共设置2条引⽔主洞、4条引⽔⽀管和4条尾⽔⽀管、2条尾⽔隧洞。
(1) ⽔位上库正常蓄⽔位： 1 392.00 m上库死⽔位： 1 367.00 m下库正常蓄⽔位： 945.00 m下库死⽔位： 910.00 m(2) ⽔头最⼤⽑⽔头： 482.0 m平均⽑⽔头： 452.0 m最⼩⽑⽔头： 422.0 m加权平均净⽔头: 440.0 m本电站⽑⽔头为422.0～482.0 m，根据规范及对国内外抽⽔蓄能电站的统计分析，本电站选择单级混流式⽔泵⽔轮机[4-5]。
通过单机容量与机组台数⽐较，确定本电站装设4台350 MW机组，额定⽔头为440.0 m。
2 ⽔泵⽔轮机主要参数选择2.1 ⽐转速和⽐速系数的选择(1) 国内外与镇安抽⽔蓄能电站⽔头相近的电站参数统计根据对世界上与镇安抽⽔蓄能电站⽔头相近且已投⼊运⾏的抽⽔蓄能电站的统计分析，20世纪90年代⽔泵⼯况下的⽐转速nsp值约在33～37 m·m3/s，相应⽐速系数Kp值达3 400～3 850之间。
水力机械优化设计理论
高精度的水力 模型试验台及 转轮流态成像
观测系统
二、水力机械全三维反问题设计方法
准三维/二维设计
叶片无限薄，流线 上叶片加厚
全三维反问题设计
叶片形状以满足流动 边界条件确定
叶片方程
(Vr
+ V!rbl )
¶f ¶r
+ (Vz
+ V!zbl )
¶f ¶z
=
Vq r r2
+
V!q bl r
-w
u 来流有旋，叶片有限厚
程
智能优化算法处理
优化算法驱动的自动优化技术已成为水力机械优化设计的主流
（1）引水部件优化设计
断面宽度
断 面 高 度
迎水面坡度
支墩尾部
导叶出口：
Ø 流量均匀度
Ø 速度标准差 Ø 压力标准差
断面宽度 断面高度 迎水面坡度
蜗形部分断面参数化 贝塞尔曲线
控 制点 初 始值 拟 合值
蜗形部分包角
控 制点 初 始值 拟 合值
VE = (ef1,ef2,ef3 ,!!, efi ,!!)
VP = ( p1, p2, p3 ,!!, pi ,!!) VS = (es1,es2,es3 ,!!,esi ,!!)
1
å æ n
2 ö2
dVE (ef X , efY ) = ç hXj -hYj ÷
åè j=1
ø
æn
1
2 ö2
Min : dVE (efX , efO ) , dVP ( pX
受力频率分析
压力脉动
t=0s
t=3s
t=5s
四、水力机械优化设计技术
参数化 造型模块
水
轮
水电工程师招聘笔试题及解答(某大型央企)2024年
2024年招聘水电工程师笔试题及解答(某大型央企)(答案在后面)一、单项选择题（本大题有10小题，每小题2分，共20分）1、以下哪项不属于水电工程中常用的建筑材料？A、水泥B、钢材C、木材D、塑料2、水电工程中，下列哪项属于施工安全管理的范畴？A、施工图纸的审查B、施工方案的编制C、施工现场的防火措施D、工程进度计划的控制3、题干：在给水排水系统中，以下哪种设备主要用于调节流量的波动，确保系统的稳定运行？A、水泵B、阀门C、水箱D、管道4、题干：在电力系统中，以下哪种电气设备主要用于保护电路，防止过载和短路？A、断路器B、变压器C、电容器D、电感器5、题干：某住宅小区需要改造老旧供水管道，设计要求管道材质必须具备良好的耐腐蚀性和强度。
以下哪种管道材质最符合这一设计要求？A. 铝塑复合管B. 聚氯乙烯（PVC）管C. 不锈钢管D. 钢筋混凝土管6、题干：在进行电气线路施工时，以下哪种做法是错误的？A. 使用绝缘良好的导线进行布线B. 在潮湿环境中使用防潮电缆C. 在电气线路附近进行焊接作业时，应使用绝缘手套和防护眼镜D. 电气线路施工完成后，应立即进行绝缘测试7、在以下哪些情况下，需要进行电气设备的绝缘电阻测试？（）A. 设备运行1年后B. 设备运行前C. 设备发生故障后D. 以上所有情况8、以下哪种材料在电流通过时会产生热量？（）A. 电阻B. 电感C. 电容D. 电流9、在给水系统中，以下哪种阀门主要用于调节水流速度和压力？A. 闸阀B. 阀门井C. 调节阀D. 安全阀 10、以下哪种电缆适用于在高温环境下使用？A. 塑料绝缘电缆B. 橡皮绝缘电缆C. 聚氯乙烯绝缘电缆D. 氟塑料绝缘电缆二、多项选择题（本大题有10小题，每小题4分，共40分）1、以下哪些设备属于水电工程中的水轮发电机组组成部分？A、水轮机B、发电机C、调速器D、进水阀E、尾水管2、下列哪些措施有助于提高水电工程的安全性和可靠性？A、采用高标准的工程质量控制B、定期进行设备维护和检修C、建立完善的安全管理制度D、进行严格的施工人员培训E、使用先进的监测技术3、以下哪些是水电工程中常用的水工建筑物？（）A、水闸B、水电站C、船闸D、溢洪道E、泵站4、在水电工程的设计阶段，以下哪些因素需要被充分考虑？（）A、地形地质条件B、水文气象条件C、生态环保要求D、经济效益E、施工难度5、以下哪些属于水电工程中水工建筑物的主要组成部分？（）A. 溢洪道B. 拦河坝C. 厂房D. 河床E. 厂用电系统6、以下哪些因素会影响水电工程发电量？（）A. 水头高度B. 水流速度C. 发电机组效率D. 水库容量E. 环境保护要求7、以下哪些设备属于低压配电系统中的保护设备？（）A. 断路器B. 低压熔断器C. 电压互感器D. 电流互感器E. 隔离开关8、在以下哪些情况下，需要进行电气设备的预防性试验？（）A. 新设备安装后B. 设备运行满一年C. 设备发生故障后D. 设备运行满五年E. 设备在潮湿环境下工作9、以下哪些是水电工程中常见的施工阶段？（）A. 地基处理B. 混凝土浇筑C. 钢结构安装D. 金属结构焊接E. 机组安装调试 10、关于水电工程的水轮机，以下描述正确的是？（）A. 水轮机是利用水流的动能转换成机械能的装置B. 水轮机的主要部件包括转轮、导水机构和尾水管C. 水轮机的类型包括反击式和冲击式D. 水轮机的效率受到水头和流量等因素的影响E. 水轮机的运行状态需通过调速器来控制三、判断题（本大题有10小题，每小题2分，共20分）1、水电工程师在施工过程中，应严格按照施工图纸和设计要求进行操作，不得擅自更改设计参数。
水力发电的关键技术研究
水力发电的关键技术研究水力发电是一种利用水流能量转化为机械能和电能的能源。
已成为全球最主要的可再生能源之一。
在水力发电过程中，水力机组是发电的核心，水能利用效率与水力机组的先进程度密切相关。
本文将从三个方面探讨水力发电的关键技术研究：水轮机、水泵储能和水电站的安全与监测。
一、水轮机的研究水轮机是水力机组的核心部件，其性能直接影响水能的利用效率。
目前，水轮机的设计和制造都已经达到了一个高水平。
随着利用高水头、提高发电效率的要求越来越高，需要进一步改进水轮机设计，提高性能和可靠性。
1. 三维流场数值模拟三维流场数值模拟是近年来水轮机研究的热点之一，其旨在通过计算机模拟水轮机工作过程中的流场变化，找出水轮机性能不足之处，并通过数值优化来提高性能。
2. 刀片材料及涂层技术水轮机的刀片作为水轮机的耗损件，其性能直接影响水轮机的寿命和效率。
目前，随着先进材料技术的发展和应用，水轮机刀片向高耐磨、高抗腐蚀、高韧性、高强度等多方面发展。
3. 国内外先进技术引进借鉴国外先进水轮机技术和经验，为我国发展水利事业提供了有力支撑。
进口先进设备可以大幅度提高水利工程的水能利用效率，提高我国水力发电的质量和效益。
二、水泵储能技术的研究随着新能源的快速发展，发电工作量将越来越不稳定。
储能技术的发展已经成为一个受到广泛关注的问题。
水泵储能技术是一种高效、可靠的储能方式，成为了一个重要的研究方向。
1. 储水系统储水系统是水泵储能技术的关键。
其原理是将多余的电能转化成水压能量通过输水管道输送到储水槽或水库中，并在需要时再利用水压能转化成电能供给电网使用。
2. 变速调节系统变速调节系统可以及时地根据电网负荷的大小和变化趋势调整水泵转速，确保储能效率和安全输出规定电量。
3. 损耗优化研究损耗优化是水泵储能技术研究的一个重要方向。
通过研究损耗优化的方法来提高储能效率和经济性，减少成本和能耗。
三、水电站的安全与监测水电站是巨大的水利工程，其安全监测与调度管理至关重要。
抽水蓄能电站项目可行性研究报告
抽水蓄能电站项目可行性研究报告1. 项目背景与必要性1.1 能源结构调整需求随着全球能源结构的转型，可再生能源的比重日益增加，但风能、太阳能等新能源的间歇性和不稳定性对电力系统的稳定性提出了挑战。
抽水蓄能电站作为一种成熟的储能技术，能够有效平衡电力供需，优化能源结构。
●根据国际能源署(IEA)的数据，到2024年，全球可再生能源的装机容量预计将增长至3000GW以上，其中风能和太阳能占主要部分。
抽水蓄能电站作为调节新能源波动的重要手段，其需求随之增加。
●我国“十四五”规划明确提出，到2025年，非化石能源占一次能源消费比重将达到20%左右，抽水蓄能电站作为实现这一目标的关键技术之一，其建设必要性显著。
1.2 电力系统调峰需求电力系统需要在不同时间段内应对负荷的变化，抽水蓄能电站能够在电力需求高峰时释放能量，而在需求低谷时储存能量，从而实现电力系统的平稳运行。
●据统计，我国电力系统的最大峰谷差已经超过30%，部分地区甚至超过50%，这表明调峰需求迫切。
●抽水蓄能电站的调峰能力是其他储能方式的数倍，能够有效缓解电网的调峰压力。
1.3 促进新能源消纳抽水蓄能电站能够储存过剩的新能源电力，减少弃风弃光现象，提高新能源的利用率。
●据国家能源局统计，2023年我国弃风率和弃光率分别为2.7%和1.8%，虽然较往年有所下降，但仍有较大的提升空间。
●抽水蓄能电站的建设可以有效减少新能源的浪费，提高新能源的消纳率。
例如，四川绵竹抽水蓄能电站建成后，预计每年可节约标煤约30万吨，减排二氧化碳约78.3万吨，显著提高了新能源的利用效率。
通过上述分析，抽水蓄能电站的建设对于优化能源结构、满足电力系统调峰需求、促进新能源消纳具有重要的战略意义和现实必要性。
2. 技术可行性分析2.1 抽水蓄能技术原理抽水蓄能技术基于水的势能与电能之间的转换原理，通过在电力需求低谷时使用多余电力将水抽至高位水库储存，在电力需求高峰时释放水流发电，以此实现电力系统的负荷平衡。
液力透平的直接正向设计方法
液力透平的直接正向设计方法吴玉珍;王铭【摘要】简要介绍了水轮机、水泵水轮机、离心泵反转液力透平设计方法,针对液力透平实际工作条件和结构特点,提出依据介质流量、可利用水头、转速等工况条件确定液力透平特征参数,进行转轮、蜗壳、导叶或导流段等过流部件的一维设计的方法;在二维造型和局部优化、三维流场数值仿真和结构、性能优化基础上,形成液力透平的直接正向设计方法.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷),期】2019(056)003【总页数】6页(P38-42,77)【关键词】液力透平;直接正向设计;模型设计【作者】吴玉珍;王铭【作者单位】北京航天动力研究所,北京100076;北京航天动力研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2;TH38水力涡轮是将液体压力能转变为机械能的设备，包括水电行业的水轮机、水泵水轮机，以及工业装置流体压力能回收的液力透平。
目前水力涡轮的设计主要采用模型设计法，具体包括水泵水轮机设计法[1-2]、常规水轮机设计法[3-4]、反转离心泵设计法 [5-8]。
反转离心泵设计法将透平参数转换为离心泵参数进行设计，是目前工业装置液力透平的主要设计方法；但转换系数以各自泵模型为基础，不同文献给出的转化系数有一定差异，导致设计误差，因此本文提出液力透平过流部件的直接正向设计方法。
1 几种典型的模型设计方法1.1 水轮机设计法水轮机的设计[4]基于模型机参数，确定真机的运行参数和几何参数。
设计过程包括转轮类型的确定、转轮模型的确定、真机的转轮尺寸的确定和过流部件及运行参数的确定、真机的缩比转轮模型试验验证、强度校核计算等。
由于水轮机与工业装置液力透平在尺寸和介质方面差别较大，直接应用水轮机设计方法时应充分考虑模型特征参数。
水轮机的主要特征参数：混流水轮机比转速单位转速单位流量式中 Q——流量；H——水头（扬程）；n ——转速；D1——叶轮直径。
1.2 水泵水轮机设计法水泵水轮机是工作在正、反方向运行状态的水力发电设备。
三菱公司700m水头段水泵水轮机的开发和验证
《 东方 ￣
如 表 ２所 示 ：
） ｏ ２年 第 ３ ２ｏ ｏ卷 第 １期
表 ２ 不同扬 程 下 的水 泵 输 入 、 流量 和 比 转速
７ ９ 扬 程 ７ｍ ７２ ２ ｍ扬 程
输＾ （ Ｍ ） 流量（ ／） ｍ’ 自 比转速 （ ｍ—ｋ ） Ｗ
３１ ９ ４ ． ４１ ２ ． ２５
公 司 葛 野 川 抽 水 蓄 能 电站 ２号 机 就 是 在 这 种 背 景 下 设 计 制 造 的 ，该 机 是 目前 世 界 上 水 头
咖
一一 №
水 蓄能机 组 。 日本 三菱公 司 承制 了该 机组 中 的水泵水 轮 机 ．并从 １８ ９ ８年 起 就 与 东京 电
力公司一 起进行该 水 泵水 轮机 的结构 要素开
＜４ ８ ３ ＞２ ５ ２ ． ５９
下 面 介 绍 ７ ０ 级 水 头 段 水 泵 水 轮 机 设 ０ｍ 计 和 开 发 出 的技 术 以及 工 地 试 验 的结 果 。
２ ７ Ｏ 级 水 头 段 水 泵 水 轮 机 的 开 发 ０ｍ
２． 水 泵 水 轮 机 设 计 概 况 ２
如 图 １ 示 ．葛 野川抽 水 蓄能 电站水泵 所 水 轮机为 目前 世 界上水 ＇ 最高 的超 高水头水 头 泵水 轮机 ，为 了提 高真 机的运 行可靠 性 ，三 菱公 司列 出 了许 多技术课题 ，井为 了解决表 ３所 列 的技 术 课 题 ，在 设 计 阶 段 进 行 了 各 种 研究 分析 和验证 ，千方 百计 提 高真 机 的运行 可靠 性 。现 扼要 介绍如 下 。 （ ）转 轮 的开发 １ 超 高水 头水 泵水 轮 机转 轮 的强 度 和振 动 是 两项最关 键 的研究课 题 。本 水泵水 轮机 的 水 头 和扬程 都超 过 以往 的产 品 ．三菱 公司应 用 Ｃ Ｄ和 Ｆ Ｍ分 析 程序 在 微机 上对 转 轮进 Ｆ Ｅ 行 了研 究 ．井用 模型进 行实 际水头 和实 际扬
高水头混流式水轮机转轮和水泵转轮的新技术
头混 流 式 水轮 机 、 泵 和 水 泵 水轮 机 转轮 上 的 应 用 情 况 ， 水 以及 该 技 术 的 诸 多优 点 。
关键词 ： 高水 头 ； 流 式 水 轮 机 ； 泵 水轮 机 ； 轮 ； 混 水 转 制造 新技 术 ； ｃ ｕ Ｓ 技 术 ； Ｍｉ ｏＧ Ｓ ｒ 中图 分 类号 ： Ｋ ３ ， ； Ｈ １ Ｔ ７３１Ｔ ３８ 文献标识码 ： Ａ
优 良的材 质 。基 于 分 裂 叶 片 混 流 式水 轮机 转 轮 的
３ Ｄ数学模 型 ， 考虑 ３ 并 ０个 叶片 （５个 长叶 片 、５个 １ １
短叶 片） 的数 控机 加工 的可达性 ， 确定制 造工 艺的顺
序 。叶片 的焊接工 艺 必 须 分 ２阶段进 行 ， 允许 在非
常狭 窄的叶 片间 的空 间 内进行数 控机加 工 。在 完成
的应 用集 中于窄 流道和 叶片 高度较 小 的转 轮。换 句
话说 ， 它适用 于高水 头 混流式水 轮 机 、 泵水 轮机 和 水
具有 低 比转 速 的水 泵 。
受到惰 性气 体混 合 物 的保 护 ， 防止 氧化 。焊 接过 程
的所有参数 ， 以及 体积 形状 的加工 均受计算 机控 制 。
维普资讯
２０ ０ ７年 ７月
水 利 水 电 快 报 Ｅ Ｒ Ｗ ＨＩ
第２ ８卷 第 １ ３期
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文 章 编 号 ：０ ６０ ８ （ ０ ７ １ ． ０ ９０ １ ０ ．０ １ ２ ０ ） ３０ ２ ． ３
２０ ０ ７年 ７月
水 利 水 电 快 报 Ｅ ＷＲ ＨＩ
第２ ８卷第 １ ３期
向叶轮 流道 的机 加 工 、 磨 和无 损 检 测 出色 的可 达 研 性 。与 可 达 性 有 限 的 常 规 铸 造 相 比， 技 术 能 新
基于CFD的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计
水利水电技术(中英文)㊀第52卷㊀2021年第4期宋晓峰,毛秀丽,陆家豪,等.基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计[J].水利水电技术(中英文),2021,52(4):115-123.SONG Xiaofeng,MAO Xiuli,LU Jiahao,et al.CFD-based optimal design of pump-turbine runner with long and short blades[J].WaterResources and Hydropower Engineering,2021,52(4):115-123.基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计宋晓峰,毛秀丽2,陆家豪2,张㊀昕1(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西西安㊀710010;2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌㊀712100)收稿日期:2020-11-10基金项目:国家自然科学基金项目(51909222);国家 十三五 重点研发计划项目(2016YFC0401808);陕西省水利科技计划项目(2016slkj -4);西北农林科技大学科研启动基金(Z109021813)作者简介:宋晓峰(1968 ),男,高级工程师,学士,主要从事水工建筑物与工程管理研究㊂E-mail:1027051958@通信作者:毛秀丽(1991 ),女,讲师,博士,主要从事水力机械及其系统㊁抽水蓄能及新能源技术研究㊂E-mail:maoxl@ 摘㊀要:为提高水泵水轮机综合效率,提出一种长短叶片型转轮以改善机组运行在发电与抽水两工况下内流特性㊂以可逆式水泵水轮机作为研究对象,将长短叶片数目与骨线出口边直径比例作为优化目标切入点,借用软件SolidWorks 建立不同的水泵水轮机三维模型,并通过CFD 数值模拟手段验证优化思路㊂ICEM 软件用于划分各过流域网格,分离涡湍流模型(DES )用于求解内流场,重点研究水轮机工况与水泵工况下可逆机组内流场特性并量化运行参数㊂研究结果表明:长短叶片转轮相对全长叶片转轮在抗空化性能方面表现出较好的优良性,具体体现在叶片宽口边有回压㊂6长6短㊁7长7短㊁8长8短叶片转轮在水轮机工况下效率分别提高了3.463%㊁3.198%和1.119%;水泵工况下6长6短和8长8短叶片转轮效率均降低约4个百分点,而7长7短叶片转轮效率提升约4个百分点㊂此外,长叶片骨线出口边直径与短叶片骨线出口边直径最优比例为2/3㊂研究成果可为新一代水力机械的设计提供一定的参考㊂关键词:水泵水轮机;长短叶片;优化设计;数值模拟;CFD ;水力特性;稳定性doi :10.13928/ki.wrahe.2021.04.012开放科学(资源服务)标志码(OSID ):中图分类号:TK73文献标志码:A文章编号:1000-0860(2021)04-0115-09CFD-based optimal design of pump-turbine runner with long and short bladesSONG Xiaofeng 1,MAO Xiuli 2,LU Jiahao 2,ZHANG Xin 1(1.Shaanxi Provincial Hanjiang River to Weihe River Water Transfer Project Construction Co.,Ltd.,Xi an㊀710100,Shaanxi,China;2.College of Water Resources and Architectural Engineering,NorthwestAgriculture and Forestry University,Yangling㊀712100,Shaanxi,China)Abstract :In order to enhance the comprehensive efficiency of pump-turbine,a kind of runner with long and short blades is pro-posed herein,so as to improve the internal flow characteristics of the pump-turbine unit under both the operation conditions ofpower generating mode and pumping mode.By taking reversible pump-turbine as the study object,and the ratio of the number oflong and short blades to the diameter of the exit edge of the runner blade profile center line as the breakthrough point of the opti-mization objective,different 3-D models of pump-turbine are established with the software SolidWorks,and then the optimized宋晓峰,等//基于CFD的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计content is verified through CFD numerical simulation.The internal flow characteristics of reversible pump-turbine unit under both the operation conditions of the turbine mode and pump mode are emphatically studied,and the relevant operation parameters are quantitized by means of applying the software ICEM to the division of the grids of all the flow-passing regions.Detached eddy simulation(DES)is used to solve the internal flow field.The study result shows that the runner with long and short blades exhib-its a better performance in the aspect of cavitation erosion resistance with the specific embodiment that back pressure is there at the wide edge of the blade.Under the operating condition of turbine mode,the efficiencies of the runners with six long and six short blades,seven long and seven short blades and eight long and eight short blades are increased by3.463%,3.198%and 1.119%respectively,while both the efficiencies of the runners with six long and six short blades,eight long and eight shortblades are decreased by about4%,but the efficiency of the runner with seven long and seven short blades is increased by about 4%under the operation condition of pump mode.Additionally,the optimal ratio of the diameter of the exit edge of the profile center line of long blade to the diameter of the exit edge of the profile center line of short blade is2/3.The study result can pro-vide a certain reference to the design of the new generation of hydraulic machinery.Keywords:pump-turbine;runner with long and short blades;optimal design;numerical simulation;CFD;hydraulic character-istics;stability0㊀引㊀言㊀㊀实现智能电网提高用电效率,并提高电网经济可靠性是当下电力行业发展的新追求[1-2]㊂近年来大力开发新能源给抽水蓄能电站的发展带来了新机遇,可逆机组因能快速频繁地切换在发电与抽水工况,其为新能源的大力发展做出了巨大贡献[3]㊂尤其体现在新一代小型抽水蓄能电站的建设中,该类型电站一方面对输电线路要求较低,且施工相对灵活,投资量较少㊁见效快㊂另一方面小型抽蓄电站能够基本满足个别单位和部分峰荷的需要[4],再者小型电站的建设可与分布式发电结合在一起,共同实现小区域高精度的电网调节,最终可以起到增强电网调节灵活性与可靠性的作用㊂因此针对抽水蓄能电站,寻找新思路,提高发电和蓄水两工况下运行效率具有十分重要的意义㊂水力机械在水利水电行业有着举足轻重的位置[5],其中可逆式水泵水轮机作为电站的作功机组,其在响应向高转速化㊁大容量化㊁高水头化发展趋势的同时,诸如综合水力效率㊁引水系统压力过大㊁气蚀特性降低等难题层出不穷㊂由于水泵水轮机要兼顾发电与抽水两种工况,诸如不可避免的驼峰区等问题会引起机组的振动,诱发强烈噪音,出现功率摆动等不稳定现象,从而直接影响机组运行安全稳定性[6-7]㊂其中水泵水轮机运行过程内流特性是引起上述问题的具体表现,诸如流动分离㊁动静干涉㊁工况变迁和回流等不稳定流态,是诱发故障甚至事故的根本原因之一[8-9]㊂针对上述现象的改良方策,当下主要研究方向涉及对机组的结构优化设计㊁运行条件控制㊁导叶运动规律优化等㊂在水力机械结构优化方面,赵伟国等[10]通过控制叶片积叠线周向定位参数优化转轮以提高离心泵效率;肖若富等[11]针对叶片几何参数为设计变量以提升离心泵水力效率;胡赞熬[12]以叶片载荷和叶片倾角为优化变量,两工况下机组效率与空化性能为优化目标提出了一套多目标优化设计系统;严健儒等[13]以水泵工况扬程偏离率㊁效率和水轮机工况效率作为目标针对总压损失集中的转轮进行正交优化设计㊂计算流体动力学要求求解流场控制方程组,其本质在于用系列有限离散点上的变量值代替原先在时间域及空间域上的连续物理量场,再通过相应原则和关联方式建立上述离散点上场变量之间关系的代数方程组,最终求解代数方程组从而获得场变量近似值[14-15]㊂近年来高性能计算机的蓬勃发展使得计算流体动力学(CFD,Computational fluid dynamics)技术得到广泛应用,国内外学者针对水力机械采用CFD技术与模型试验开展了相关研究,有大量文献证明数值模拟方法的可靠信[16-17]㊂因此在水泵水轮机内流场研究方面多采用数值模拟方法,林文华等[18]分析了泵工况轴向力;李琪飞等[19]研究了小流量㊁大流量工况下空化流空泡位置迁移情况;CAVAZZINI 等[20]介绍了多位学者关于水泵水轮机不稳定性对电站功率调节影响;肖琼等[21]针对水泵水轮机泵工况转轮受力开展分析;夏林生等[22]研究了水泵水轮机甩负荷工况压力脉动及转轮受力;郭涛等[23]剖析了混流式水泵水轮机小开度工况下全流道内速度㊁压力以及涡量的分布,并捕捉到尾水区域高强度的近壁湍流特性以及独特的分离流动现象㊂由于研究过程经济性控制㊁条件限制和现有技术的制约,水泵水轮机试验研究内容多偏向于模型试宋晓峰,等//基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计㊀㊀㊀㊀图1㊀原全长叶片水泵水轮机三维模型及长短叶片转轮示意Fig.1㊀Three dimensional model of original pump turbine with long blades and the runner with long and short blades验,张飞等[24]测试了可逆式水泵水轮机运行在S 区的压力脉动;WANG 等[25]结合理论分析㊁数值模拟和试验测试的手段研究某离心泵转轮反转运行中的水轮机工况㊂真机试验方面也有学者开展研究,孙跃昆等[26]测试了水泵水轮机开机过程压力脉动;ZHANG 等[27]利用试验手段分析原型水泵水轮机顶盖㊁上/下机架振动特性及其成因等㊂但是本文研究过程涉及至少六组模型,从实际情况而言物理模型试验成本高昂,再者由于试验不能展现过流部件内全流态分析,因此从本文提出优化设计思路的具体研究方向出发,综合考虑经济性㊁便捷性㊁可靠性等各方面因素,目前数值模拟方法是最佳的验证手段㊂现有已发表文献表明国内外学者针对水泵水轮机的研究基本为全长型叶片转轮,对长短叶片转轮的研究相对较少㊂因此本文以国内某电站模型机组为研究对象,从改善两工况内流特性出发,提高水泵水轮机综合效率为目标,基于理论分析和数值模拟相结合的手段,提出长短叶片水泵水轮机转轮并进行优化分析,以期对水泵水轮机的设计与优化提供一定的参考依据㊂1㊀研究对象及计算方法㊀㊀本文研究对象为国内某电站水泵水轮机,模型如图1所示,使用商业软件SolidWorks 建立该研究对象的三维模型㊂其由圆形截面蜗壳(靠近尾部采用椭圆形截面,以便与高度不变的座环蝶形边相接)㊁20个固定导叶㊁20个活动导叶㊁带9个三维空间扭曲叶片的转轮和尾水管(弯肘形,包括直锥段㊁弯肘段及扩散段)组成㊂按照水轮机运行工况方向,固定导叶进口直径为725mm,活动导叶进水边和出水边直径㊀㊀㊀㊀分别为475mm 和389mm,转轮进出口直径分别为300mm /185mm,固定/活动导叶高度为48.85mm,设计工况下导叶角度为24ʎ㊂所提及长短叶片转轮优化模型参量包含:6长6短㊁7长7短㊁8长8短叶片数量,长叶片与短叶片骨线出口边直径比例a 为1ʒ3㊁1ʒ2㊁2ʒ3(a =D L /D S )㊂CFD(Computational fluid dynamics)被用于数值模拟计算以验证设计思路,其中网格划分在软件AN-SYS ICEM 中完成㊂本文侧重于模型外特性参数性能,通过网格无关性验证发现网格数目对计算结果的影响较小㊂图2所示为转轮与活动导叶域局部网格放大图,图3为蜗壳与尾水管过流域网格㊂各模型总体网格数约为580.55万,其中蜗壳网格数约为163.96万,固定导叶和活动导叶域约为177.65万,尾水管的网格数约为89.44万,原全长叶片模型转轮网格数约为149.5万,新型转轮网格数如表1所列㊂分离涡湍流模型(DES,Detached eddy simulation)用于求解内流场,DES 模型在近壁区域中相当于原始的SA(Spalart-Allmaras)模型,增加耗散量旨在降低远离壁面区域涡流黏度㊂这样能够避免从雷诺平均模型(RANS,Reynolds-averaged Navier-Stokes)到大涡模拟模型(LES,Large eddy simulation)的变化过于靠近壁面,并防止模型预测 过早 的分离㊂具体而言RANS 和LES 湍流模型共同构成DES 模型,其中RANS 模型在边界层运行并在较大的分离流情况下切换到LES 模型㊂换而言之DES 模型允许RANS 和LES 的网格转换区域,其具体介绍参见文献[28]㊂考虑到直接网格对RANS 模型的影响,应谨慎地对基于DES 模型的模拟情况进行网格划分,本文相关三维计算模型在带叶片过流域均采用结构化网格㊂宋晓峰,等//基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计图2㊀水泵水轮机模型转轮域㊁导叶域局部网格(结构化)放大Fig.2㊀An enlarged view of the structured mesh in therunner and guide vane of pump turbine model图3㊀蜗壳(非结构化)及尾水管(结构化)网格Fig.3㊀The unstructured mesh of volute and the structured mesh of draft tube表1㊀不同长短叶片转轮网格数Table 1㊀The mesh number of different runners叶片个数6长6短(a =2/3)7长7短(a =2/3)8长8短(a =2/3)7长7短(a =1/3)7长7短(a =1/2)网格/万155.9185.6184.5187.9145.6㊀㊀本文所涉及数值模拟计算在ANYSY CFX 中完成,定常计算结果作为非定常计算的初始文件㊂非定常计算中,时间步长为2.22ˑ10-4s,相当于转轮旋转两度㊂水轮机工况蜗壳进口设置总压(Total pres-sure),并假设压强方向与蜗壳进口面垂直,因尾水管出口流态相对复杂,尾水管出口设置自由出流Opening,自选项为Entrainment;水泵工况尾水管进口边界给定速度,蜗壳出口设置自由出流㊂假设过流域壁面为无滑移壁面,临近固壁区域采用标准壁面函数㊂相邻过流域设置交界面(GGI,General grid inter-face),蜗壳与导叶间设置静态交界面,转轮与导叶㊁尾水管间交界面设置为动静交界面(FRI,Frozen rotor interface )㊂时间步长采用二阶隐式离散,非定常计算过程每步循环迭代最大次数为5次,主要变量收敛结束均为5阶,优化过程中各模型边界条件设置一致㊂2㊀数值模拟优化分析㊀㊀图4所示为原全长叶片面压力变化趋势与叶间流线,叶片正面和背面压力变化由A 侧至B 侧逐渐降低,动能占比率增加㊂整体叶间流线平滑且无旋转失速等不良现象,然而转轮出口处流速较大与叶片根部出现低压区相对应,极易引起气蚀现象㊂水泵工况背面区域流线出现轻微杂乱,主要原因为扩散型流向㊂对于全短叶片转轮,就水轮机工况而言,靠近下环至转轮出口侧由于叶片对水流的无控性必然会出现脱流现象,尾水管直锥段甚至弯肘段势必出现较严重的涡带现象㊂此外全短叶片水泵工况叶片对水流的增压能力明显偏弱,极易不满足扬程所需,因此本文不再对全短叶片开展进一步的研究㊂基于先前工作基础[29],设计优化所得水泵水轮机长短叶片型转轮由间隔布置的长短叶片㊁上冠㊁下环及泄水锥组成㊂如图1(b)所示,该设计A 侧叶栅稠密度增加,有益于抑制水轮机工况转轮内二次流等不稳定现象的出现;B 侧叶栅稠密度减小,速度能和压力能的占比改变,使得转轮空化性能得到提高,尤其有助于改善转轮叶片根部气蚀现象㊂此外,叶片整体数量的增加,相对于原模型全长叶片而言,叶片受力面积倍增使得单叶片承受荷载降低,从刚度及强度的角度提高了转轮的可靠性㊂2.1㊀长短叶片数量配比分析(a =2/3)㊀㊀图5为新型转轮叶片面压力变化趋势及叶间流线,本文设计6长6短㊁7长7短㊁8长8短三类长短间隔布置叶片,需遵循各流域流线顺畅,基本无脱流㊁回流等二次流现象的原则㊂转轮叶片压力梯度明显,发电工况压力从A 侧至B 侧呈递减趋势,与宋晓峰,等//基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计㊀㊀㊀㊀㊀图4㊀原全长叶片水泵水轮机模型不同工况下转轮叶间流场Fig.4㊀The fluid in flow passage of original pump turbineunder generating and pumpingmodes图5㊀7长7短叶片转轮叶间流场Fig.5㊀The fluid in flow passage of new runner with seven long blades and seven short blades抽水工况压力从B 侧至A 侧呈递增趋势相对应㊂在B 侧区域两工况均出现回压区(图5放大区域),明显改善了图4中全长叶片B 侧低压现象,该结果有利于增强叶片根部抗气蚀性能㊂另一方面,转轮出口流速圆周分量是引起尾水管进口段漩涡的成因,尾水管容易发生空腔空化空蚀,而图5B 侧 假射流 现象有明显的缓解,该区域平均流速低于长叶片对应区域,进一步增强了机组整体的抗空蚀性能㊂水轮机工况下三种转轮压力梯度变化趋势一致,然而7长7短叶片转轮出口低压区面积相对其他二者要小㊂表2为不同叶片转轮对应水泵水轮机运行两工况下性能参数,其中P 为转轮出力(W),M 为力矩(N㊃m -1),H 为水头/扬程(m),Q 为流量(m 3㊃s -1),η为效率(%)㊂整体来看水轮机工况效率均高于水泵工况,一为根据高压边(A 侧)无撞击设计,水轮机工况液流角与安放角相等,而水泵工况在高压边出流角比安放角偏小;再者水泵工况属于扩散流动,叶间流道内相对速度逐渐减小,阻力越来越大,水力损失宋晓峰,等//基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计㊀㊀㊀㊀表2㊀原全长叶片及长短叶片转轮对应水泵水轮机两工况下性能参数Table 2㊀The performance parameters of pump turbine model under two conditions with different runners运行工况叶片个数M /N㊃m -1P /W H /mQ /m 3㊃s -1η/%水轮机工况水泵工况全长叶型142.76822425.89829.9690.088086.6816长6短150.45323633.02329.9740.089190.1447长7短146.50123012.38329.9650.087189.8798长8短138.03621682.69329.9690.084087.800全长叶型132.91920878.99728.3990.063084.0636长6短112.70117703.07523.8220.061080.5257长7短102.73816138.05924.5890.059388.6378长8短115.60418159.01025.3450.059180.920图6㊀水泵工况不同叶片转轮内涡旋核心区分布Fig.6㊀The distribution of vortex core in the runner under pump condition增加等㊂长短叶片的应用在水轮机工况效率明显有提高(最高约3.5个百分点),但水泵工况情况截然不同㊂其中6长6短叶片与7长7短叶片水轮机工况效率基本相等,但水泵工况相差约4.5个百分点,主要原因为6长6短叶片转轮叶间存在较强的涡旋[见图6(a)]㊂对于8长8短叶片转轮,其效率指标在水轮机工况基本未变,但在水泵工况下降幅度较大,主要原因为叶栅稠密度过大,转轮叶间排挤增大,且水力损失相对其他二者较大,高效区运行范围缩小㊂图6(b)和6(c)分别为7长7短叶片与8长8短叶片转轮内涡旋核心区分布,相对图6(a)6长6短叶片转轮涡旋范围较小㊂从理论上讲水泵叶片数增加有益于效率的提高,但是叶片数增加会降低泵的吸入性能㊂其中水泵工况过流摩擦损失增加是效率降低的一个原因,而湍流是使得效率下降的另一个重要原因㊂图7(a)为6长6短叶片转轮上冠面湍动能分布(TKE,Turbulence ki-netic energy),湍流强度沿着水流方向逐渐增强㊂由于转轮和导叶之间存在动静干涉作用影响,出口边C 侧湍动能最大㊂入流直接撞击至长叶片工作面,叶片工作面侧(E)湍动能大于背面侧(D),转轮旋转带动E 侧高湍流强度水流在旋转方向侧出流,而D 侧液流被挤压至C 后区,从而形成C 区沿圆周方向非均布现象㊂图7(b)7长7短和图7(c)8长8短叶片转轮上冠面湍动能相比图7(a)在对应位置较强,尤其对于8长8短叶片背侧流道(F)平均湍动能高于工作面侧(G),源于叶间流道过窄,单流道流量减小流速增加,该类转轮高效点会偏向于小流量㊂结合摩擦损失与漩涡损失等因素影响,考虑两工况综合性能,7长7短叶片为最优方案㊂2.2㊀长短叶片骨线出口边直径比例(a =D L /D S )㊀㊀为了保证转轮内良好流态,短叶片叶型与长叶片叶型完全一致,确定短叶片径向尺寸是本文的第二个研究点㊂基于先前表现良好的7长7短叶片转轮,表3为长短叶片骨线出口边直径不同比例下(a =1/3,a =1/2,a =2/3),水泵水轮机分别在两工况运行时的性能参数㊂如图8所示,水轮机工况转轮域流态较好,但过短叶片使得水流作功对象面积减小,从而效率有显著的下降㊂另一方面,a <1/2型转轮,尾水管进口段内涡旋强度最大,但随着a 值增大,尾水管宋晓峰,等//基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计㊀㊀㊀㊀㊀㊀图7㊀水泵工况不同叶片转轮上冠面湍动能分布Fig.7㊀The distribution of turbulence kinetic energy on the runner crown under pumpcondition图8㊀水轮机工况下不同长短叶片骨线出口边直径比例a 对应转轮内流场Fig.8㊀The streamlines in runner under turbine condition ,based on the different ratio of long and short blades in the radialdirection图9㊀水轮机工况下不同长短叶片骨线出口边直径比例a 对应尾水管涡核及其进口面湍动能分布Fig.9㊀The distribution of turbulence kinetic energy at the inlet of draft tube and the vortex core in draft tube under turbinecondition ,based on the different ratio of long and short blades in the radial direction进口段涡旋有明显改善(见图9)㊂如图9所示,具体表现为尾水管中心区域湍流强度的降低,以及涡带规模减小㊂此外a =2/3情况尾水管流态要优于原模型情况,与本文设计叶片B 侧回压效果相对应(见图5)㊂水泵工况对于a <1/2方案,流向为渐扩型,超过多一半的转轮域相当于仅有7个叶片引流,尤其靠近转轮B 侧叶片对水流的控制力下降,转轮内出现涡流现象,造成泵工况性能较低㊂因此不建议长短叶宋晓峰,等//基于CFD 的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计㊀㊀㊀㊀表3㊀不同长短叶片骨线出口边直径比例a 对应水泵水轮机两工况下性能参数Table 3㊀The performance parameters of pump turbine under generation and pumping modes ,based on the different ratio oflong and short blades in the radial direction运行工况aM /N㊃m -1P /WH /mQ /m 3㊃s -1η/%水轮机工况水泵工况1/3130.38020480.07429.9640.088778.5491/2124.34219531.59029.9640.088774.9102/3146.50123012.38329.9650.087189.879全长叶型142.76822425.89829.9690.088086.6811/3113.06217759.73423.5170.059376.9931/2115.37818123.57924.1940.059477.7902/3102.73816138.05924.5890.059388.637全长叶型132.91920878.99728.3990.063084.063片转轮设计中,短叶片出口边径向尺寸大于长叶片对应值的2倍㊂综合两工况分析得到在a =2/3时,水泵水轮机效率最高,且高于原有全长叶片转轮对应值㊂3㊀结㊀论㊀㊀本文以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,优化长短叶片转轮设计以提高发电与抽水两工况下机组运行性能㊂其中长短叶片个数布置及短叶片径向尺寸比例作为优化切入点,旨在提高水泵水轮机运行效率和内流场稳定性㊂理论上讲,长短叶片型转轮叶片数量会增加,叶片受力面积倍增使得单叶片承受荷载降低,从刚度与强度的角度提高了转轮的可靠性㊂将数值模拟方法应用于验证本文优化思路,研究结果表明:(1)长短叶片型转轮B 侧区域的回压现象,能在极大的程度上提高B 侧区域抗空化性能㊂(2)7长7短叶片在水轮机与水泵工况综合效率最高,相对原全长叶片在两工况下效率分别提高约4个百分点㊂(3)长叶片骨线出口边直径与短叶片骨线出口边直径最优比例为a =2/3,过短叶片作功能力较低,而过长叶片不益于改善转轮域空化性能效果㊂本文工作改进了一种原有的全长叶片型水泵水轮机转轮,在提高机组效率和内流稳定性的基础上,优化得到了一种7长7短叶片型水泵水轮机转轮,为新型水力机械设计提供了一定的思路参考㊂结合叶型参数与本文优化思路对转轮进一步研究是笔者的下一步工作,后续将进一步结合试验等手段深入非设计工况及瞬态工况研究㊂参考文献(References ):[1]㊀王永真,张宁,关永刚,等.当前能源互联网与智能电网研究选题的继承与拓展[J].电力系统自动化,2020,44(4):1-8.WANG Yongzhen,ZHANG Ning,GUAN Yonggang,et al.Inherit-ance and expansion analysis of research topics between energy internetand smart grid[J].Automation of Electric Power Systems,2020,44(4):1-8.[2]㊀孙引忠,韩泰然.基于智能电网环境下电力营销智能化体系的研究[J].能源与环保,2020,42(1):P.145-149.SUN Yinzhong,HAN Tairan.Research on intelligent system of powermarketing based on smart grid environment [J].China Energy 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抽水蓄能电站项目可行性研究报告
抽水蓄能电站项目可行性研究报告1. 项目概述1.1 项目背景随着全球能源需求的不断增长，传统能源的供应日益紧张，对环境的影响也日益凸显。
在此背景下，可再生能源的开发利用成为全球能源转型的重要方向。
抽水蓄能电站作为一种高效的储能方式，因其能够平衡电网负荷、提高电力系统的稳定性和可靠性，而受到广泛关注。
抽水蓄能电站通过在电力需求低谷时使用多余电力抽水至高位水库，在高峰时段释放水流发电，实现电力的储存与调节。
这种技术不仅可以有效利用风能、太阳能等间歇性可再生能源，还能提高电力系统的调峰能力，减少因供需不平衡导致的能源浪费。
1.2 项目目标与任务本项目旨在通过深入研究和分析，评估抽水蓄能电站的技术可行性、市场需求、建设条件、经济效益等关键因素，为项目的决策提供科学依据。
●技术可行性：评估抽水蓄能电站的技术成熟度、设备可靠性、系统集成能力等。
●市场需求：分析当前和未来的电力市场需求，预测抽水蓄能电站的潜在市场规模。
●建设条件：考察地质、水文、环境、社会等因素，确定最佳的建设地点。
●经济效益：计算项目建设和运营的成本与收益，评估项目的经济效益和投资回报率。
●风险评估：识别项目实施过程中可能遇到的风险，并提出相应的风险控制措施。
通过完成上述任务，本项目将为抽水蓄能电站的建设提供全面、系统的可行性研究报告，确保项目的顺利实施和长期稳定运营。
2. 技术可行性分析2.1 技术方案抽水蓄能电站的技术方案主要包括电站的布局设计、水工建筑物的设计、水泵水轮机及其辅助设备的选择等。
以下是对这些关键技术点的分析：●电站布局设计：电站布局需考虑上下游水库的地理位置、地形地貌、水文地质条件等因素。
设计时需确保上水库有足够的蓄水能力和下水库有充足的水源补给。
同时，还需考虑电站与电网的连接方式，以及电站运行对周边环境的影响。
●水工建筑物设计：水工建筑物包括水库大坝、引水系统、尾水系统等。
设计时需考虑建筑物的稳定性、安全性、耐久性以及对生态环境的影响。
高水头水泵水轮机驼峰特性研究综述
高水头水泵水轮机驼峰特性研究综述
李珍;刘小兵;徐连琛
【期刊名称】《水电与抽水蓄能》
【年(卷),期】2023(9)1
【摘要】在高水头水泵水轮机中,泵工况运行下的驼峰特性会导致机组强烈振动甚至跳机,严重威胁机组的安全稳定运行,是水泵水轮机中的水力不稳定现象之一。
驼峰特性主要是由转轮与固定导叶之间的旋转失速引发的。
本文主要从驼峰特性的机理研究,旋转失速的研究,驼峰特性的试验和数值模拟研究以及驼峰特性的迟滞效应几个方面介绍和讨论了国内外研究者对这一现象的研究,为以后对驼峰特性的深入研究以及减小驼峰特性对机组运行的影响作基础。
【总页数】9页(P39-47)
【作者】李珍;刘小兵;徐连琛
【作者单位】西华大学流体及动力机械教育部重点实验室;河海大学水利水电学院【正文语种】中文
【中图分类】TK73
【相关文献】
1.高水头可逆式水轮机和水泵水轮机主轴密封的选择
2.特高水头可逆式水泵水轮机转轮的振动特性和动应力
3.高水头水泵水轮机无叶区压力脉动综述
4.高水头水泵水轮机无叶区压力脉动综述
5.高水头水泵水轮机空化特性分析
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水泵水轮机S特性区能量损失及流动特性研究
２０２４年３月水 利 学 报ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５５卷 第３期文章编号：０５５９－９３５０（２０２４）０３－０３４４－１２收稿日期：２０２３－１０－２６；网络首发日期：２０２４－０３－２１网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０３１９．１５４８．００６．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金项目（５２３０９１１８，５２０７９１０８，５２２０６０５４）；陕西省自然科学基金项目（２０２３－ＪＣ－ＱＮ－０４４６，２０２１ＪＭ－３２８）；陕西省博士后基金项目（２０２３ＢＳＨＥＤＺＺ２５６，２０２３ＢＳＨＥＤＺＺ２５７）；陕西省教育厅自然专项（２３ＪＫ０５６６）作者简介：王李科（１９９１－），讲师，主要从事流体机械内部流动理论分析研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ａｌｉｋｅｗａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ水泵水轮机Ｓ特性区能量损失及流动特性研究王李科１，姚 亮２，冯建军１，２，朱国俊１，２，卢金玲１，２，阮 辉３（１．西安理工大学省部共建西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西西安 ７１００４８；２．西安理工大学水利水电学院，陕西西安 ７１００４８；３．西安航空学院液压技术研究院，陕西西安 ７１００７７）摘要：为了调节电网的稳定性，抽水蓄能电站需要频繁启停和变换工况运行，导致水泵水轮机容易进入Ｓ特性区，机组振动增加，并网失败。
本文以模型水泵水轮机为研究对象，采用熵产理论详细分析了Ｓ特性区不同工况下的能量损失规律，明确了熵产率分布与内部流动结构的关系。
结果表明：Ｓ特性区内近飞逸工况总熵产最大，约为设计工况的５．１倍，脉动熵产占据的比例接近８０％，随着流量的减小，转轮熵产占比逐渐降低，活动导叶和尾水管的熵产占比增加。
小流量工况转轮进口靠近下环位置首先出现了明显的漩涡，导致了活动导叶出口和转轮进口的高熵产区，随着流量进一步减小，漩涡逐渐向上冠转移，并且切向速度增大，在转轮进口形成挡水环，阻碍水流进入转轮，在无叶区内出现了环状分布的高熵产区。
中高水头混流式水轮机组导叶轴颈密封结构优化研究
2021.N q2大电机技术71水轮机及水泵I中高水头混流式水轮机组导叶轴颈密封结构优化研究周玉国1董钟明1周庆英2吴继兵彳(1.中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌443000；2.黄河万家寨水利枢纽有限公司，太原030001； 3.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040)［摘要］本文通过分析以往中高水头电站混流式水轮机组导叶轴颈结构，指出导叶轴颈法兰盘处绕流漏水会对机组的安全稳定运行造成不利影响，并以某水电站为例进行了导叶轴颈绕流漏水量的计算，证实了导叶轴颈法兰盘处绕流漏水量会影响机组停机后的导叶封水效果。
为减小导叶轴颈绕流漏水量，提出了三种防止导叶轴颈绕流的密封结构，经综合比较各种结构的优缺点，选定其中一种结构在白鹤滩电站百万机组设计中应用。
本文的研究成果可供其他中高水头电站机组设计或检修改造时参考。
［关键词］中高水头;混流式机组；导叶轴颈;绕流漏水量［中图分类号］TK730［文献标志码］A［文章编号］1000-3983(2021)02-0071(4The Optimization Research on Sealing Structure of Guide Vane Journal Applied to theHigh-middle Head Fruncis TurUina UnihZHOU Yuguo1，DONG Zhongming1，ZHOU Qingying2，WU Jibing3(1.Ching Yangtze Power Cn.,Ltd.,Yichang443000，Ching；2.Yellow River Wanjiazhni Water Conservancy Project Cn.,Ltd.,Taiyunn030001，Ching；3.HarVin Electdy Mactinerv Cn,Ltd.,HarVin150044，Ching)Abstruch：This pdpcv analyzes tdc yuinc vane jonmal strvcturv of tdc Francis turVinc unite of tdcprevions higU-mindOc hean hyUmpowcr station，finging tUaZ tdc watca leanayc aronng tdc flange pladcof yuinc vaga jonmdl wilO anect tdc safe ang stUe opemdon of tdc unit.Taning a powaa station as agexampOa，tdc dmongt of watca leanayc aronng tdc yuinc vaga jonmaO is cylcclateV-It is ccnfirmeV tUatn wili anect t dv w P vo sealing effect of tdv yuinv vaga dftvr tdv nnil is sant down.Three sealingstmctnrvs am pmposea in omcr tu redncy tdc watem leanauc，and onc of tdc stmctnres hava beeaanplied tn tdc desiya of tdc million units of Bainetaa HyUmpowcr Station-Thc mseamh results of thispdacr cdn bc nseC as referency fov tdc desiua ov maintevancy of othcr higU-minclte hean powcv stations.Key worUt:higU-minclte hean；Fraacis turVine unit；yuine aaie jonma；low leanauco前言导叶密封问题是制约高水头混流式水轮机大修周期的关键性问题之一，在国内一些高水头电站反映尤为突出。
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考虑流体可压缩性的高水头水泵水轮机性能研究与优化
随着新能源的发展和电力系统调峰调频的需要,我国的抽水蓄能电站有向高水头和大容量发展的趋势。
目前我国高水头水泵水轮机转轮设计以200-500m水头段为主,600m及以上水头段的转轮自主设计在国内还不成熟,其中空化问题与振动问题是制约我国高水头水泵水轮机发展的两个重要因素。
针对这些问题,本文旨在找出适合高水头水泵水轮机的空化与振动研究方法和转轮设计理念,为促进高水头抽水蓄能电站的发展提供技术支持。
取得的研究成果具有重要的工程应用价值,相关研究成果如下:(1)基于正压规律构建混合流体的状态方程,结合均质平衡流模型,建立考虑可压缩性的空化模型,采用压力修正方程解决计算中断问题,并进行模型水泵水轮机空化试验验证。
在此基础上,研究水的可压缩性对高水头水泵水轮机性能预估的影响。
结果表明,不考虑可压缩性的空化模拟方法得出的叶片表面空化形态与试验结果相差较大,并且空化数越低,差异越大。
而考虑可压缩性的空化模拟方法能够比较准确地预测水泵水轮机的能量特性和转轮叶片表面的空化形态,效率随空化数的变化规律与模型空化试验结果相吻合。
(2)对比考虑可压缩性的模拟方法和不考虑可压缩性的模拟方法计算水泵水轮机“S”特性的差异。
结果表明,水的可压缩性对水轮机特殊运行工况(飞逸工况、制动工况及反水泵工况)的内部流动特性的模拟有很大影响。
考虑可压缩性得出的高水头水泵水轮机“S”特性曲线的误差小于不考虑可压缩性得出的“S”特性曲线的误差,并且考虑可压缩性后能够捕捉到更丰富的压力脉动特性。
(3)通过考虑可压缩性研究高水头水泵水轮机不同工况下的流动特征,揭示
了水流阻滞的形成机理、产生的工况条件以及引起的压力场变化规律,探讨了水轮机工况转轮不同叶片间的水流阻滞现象和水泵工况挡水环现象及其引起的压力脉动的频率特性,阐明了水轮机70%以下出力工况振动问题严重、水轮机空载工况不稳定和水泵高扬程区不稳定的根本原因。
(4)分析了转轮几何参数对水泵水轮机空化性能及振动特性的影响,建立了转轮几何参数与性能参数的映射关系,并将可压缩流动的求解与转轮水力优化策略相结合,编制了考虑可压缩性的高水头水泵水轮机转轮设计与优化程序,寻求合理的高低压边安放角及叶片表面负荷分配,解决了水轮机转轮设计与水泵转轮设计中的多重矛盾问题,达到了抽水与发电的平衡,设计出了综合性能较优的高水头水泵水轮机转轮。