王煥茂，覃大清，魏顯著，趙 越，陳元林

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

1 前言

近期，我國在建了多座高水頭、大容量的抽水蓄能電站，這些電站的建成將有力地保證電力系統(tǒng)的有效運行，顯著提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將在電力系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位。但是這些電站中的水泵水輪機比速低，流道狹窄，轉(zhuǎn)輪直徑大，水流速度高，其水力性能的進一步提高有很大的難度。低比轉(zhuǎn)速的水泵水輪機，由于轉(zhuǎn)輪直徑大，圓盤損失很大，一般占3%～4%；同時較高的流速也引起了葉片高強度的空化問題和強烈的動靜干涉現(xiàn)象，從而給電站機組的高效穩(wěn)定運行帶來了很多問題。

相對于常規(guī)7葉片和9葉片的水泵水輪機轉(zhuǎn)輪來說，長短葉片轉(zhuǎn)輪具有以下優(yōu)勢：長短葉片轉(zhuǎn)輪由于葉片數(shù)較常規(guī)轉(zhuǎn)輪多，能夠有效減小水泵工況葉片出口的滑移，使得流量揚程曲線的斜率增加，有效提高泵工況駝峰裕度，從而可以使得真機直徑可以選的更小些；對水泵水輪機而言，較小的真機直徑可以大大減小轉(zhuǎn)輪的圓盤摩擦損失，使得真機的效率得到有效提高；對于水泵工況，較大流量揚程曲線斜率會大大減小水泵運行流量范圍，從而大大提高水泵工況的空化性能；對水輪機工況來說，較小的真機直徑會使水輪機工況運行范圍向最優(yōu)效率點移動，有利于水輪機工況加權(quán)效率的提高，同時也使得水輪機工況無葉區(qū)壓力脈動得到有效降低；較小的真機直徑可以有效提高水泵水輪機“S”區(qū)安全余量，從而提高過渡過程工況運行穩(wěn)定性。

哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱“哈電”）從2009年開始，進行了混流式水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)，經(jīng)過多個水頭段長短葉片轉(zhuǎn)輪的研發(fā)，取得了重要進展，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的混流式水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)技術(shù)。

2 400～500m水頭段水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)

2.1 相關(guān)設(shè)計參數(shù)

以某400～500m水頭段抽水蓄能電站水泵水輪機的水力研發(fā)為依托，進行了長短葉片轉(zhuǎn)輪的研發(fā)。該電站的相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 電站設(shè)計參數(shù)

根據(jù)該電站設(shè)計參數(shù)，進行了4個長短葉片轉(zhuǎn)輪方案的水力優(yōu)化設(shè)計，各方案水泵水輪機模型轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)如表2所示。

表2 長短葉片轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)

2.2 水力優(yōu)化設(shè)計

CFD數(shù)值模擬技術(shù)的進展使得水力機械性能的預(yù)測更為準確，對長短葉片水泵水輪機的水力研發(fā)來說，可以更為容易地對長短葉片進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到更好的水力性能。圖1為用于長短葉片轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計的網(wǎng)格域。

各計算域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)的分配，如表3所示。

圖1 長短葉片轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計的網(wǎng)格域

表3 網(wǎng)格節(jié)點數(shù)分配

在確定數(shù)值模擬的邊界條件時，計算域的進口邊界條件采取質(zhì)量流量進口，進口處紊動能設(shè)為進口處平均動能的5%；出口邊界條件采取平均靜壓出口，相對壓力設(shè)為0Pa；固壁邊界條件采用壁面速度無滑移，近壁區(qū)邊界條件采用壁面函數(shù)計算速度值和k、ε的值。

在本電站水泵水輪機水力設(shè)計中，難點在于電站對駝峰區(qū)安全裕度要求高，水泵工況最小限制流量偏大，這就要求水泵流量系數(shù)與壓力系數(shù)曲線斜率要大，并保證較小的水泵工況最大入力；水輪機工況加權(quán)點權(quán)值分布偏向部分負荷，對加權(quán)效率要求較高，需要進一步提高水輪機工況能量性能；同時該電站也對水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動水平提出了較高的要求。該電站對長短葉片水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的水力優(yōu)化設(shè)計提出了很大的挑戰(zhàn)。

圖2～圖5為不同方案長短葉片轉(zhuǎn)輪水力性能的數(shù)值模擬曲線。由圖2可以看出，方案3的曲線斜率最大，方案1、2、4的斜率基本一致，但是方案3、4對應(yīng)的最小流量要大于方案1、2的。在圖3中，方案1、2的水泵最大入力明顯大于方案3、4的最大入力。在圖4中，四個方案水泵小流量工況空化裕度均較大，而在大流量工況方案4的裕度最大，其余3個方案空化性能相當；而在圖5 水輪機最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速效率曲線的比較中，方案2的高效運行區(qū)范圍較寬，方案4的最優(yōu)效率最高?？傮w比較而言，方案2的水力優(yōu)化設(shè)計要優(yōu)于方案1的，而方案4的要優(yōu)于方案3的；方案4的整體性能要優(yōu)于方案2。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，選擇方案2和方案4的長短葉片轉(zhuǎn)輪進行了模型試驗。

2.3 模型試驗

模型試驗在哈電高水頭試驗4臺進行，該臺試驗最高水頭80m，試驗流量范圍0～0.8 m3/s，水力試驗4臺的試驗?zāi)芰Α⒖砂惭b的模型的尺寸、水力性能的測試方法及試驗用水均符合IEC和GB有關(guān)規(guī)程的要求，試驗臺綜合誤差小于±0.2%。

圖2 不同方案流量系數(shù)與壓力系數(shù)曲線

圖3 不同方案水泵工況功率曲線

圖4 不同方案水泵空化性能曲線

圖5 不同方案水輪機工況最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速下效率曲線

圖6 ～圖11為方案2與方案4模型試驗結(jié)果。從中可以看出，前面CFD數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗具有很好的一致性。由圖6可以看出，方案4的流量系數(shù)與壓力系數(shù)曲線斜率較方案2的大，方案4對應(yīng)的最小流量也遠大于方案2的，方案4的優(yōu)化設(shè)計更好地滿足了電站相關(guān)性能要求；由圖7可以看到，與方案2相比，方案4水泵工況效率有了明顯提高；由圖8可以看出，方案4水泵工況最大入力也比方案2的?。蝗鐖D9所示，方案4與方案2的水泵空化性能相當；綜上，方案4的水泵性能較方案2的得到了明顯的提高。如圖10所示，方案4水輪機工況效率也比方案2有了大幅提高；由圖11則可以看出，在額定水頭下，方案4無葉區(qū)壓力脈動幅值比方案2有了大幅降低；方案4水輪機工況性能要全面好于方案2。

圖6 不同方案流量系數(shù)與壓力系數(shù)包絡(luò)線

圖7 不同方案水泵工況效率包絡(luò)線

在400～500m水頭段水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)中，通過設(shè)計理念及方法的創(chuàng)新，經(jīng)過多輪水力優(yōu)化設(shè)計和模型試驗研究，水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)取得了重要進展，從而為后續(xù)長短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)的深入進行奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖8 不同方案水泵工況功率模型試驗曲線

圖9 水泵工況空化比較曲線

圖10 水輪機工況最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速下效率比較曲線

圖11 額定水頭下無葉區(qū)壓力脈動比較曲線

3 600～700m水頭段水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪的研發(fā)

3.1 相關(guān)設(shè)計參數(shù)

在400～500m水頭段水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪研發(fā)取得重要進展的基礎(chǔ)上，對600～700m超高水頭、大容量水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪進行研發(fā)。依托電站的相關(guān)參數(shù)如表4 所示。

表4 電站設(shè)計參數(shù)

在該電站水泵水輪機水力研發(fā)中，進行了不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案的水力優(yōu)化設(shè)計，包括7葉片轉(zhuǎn)輪、9葉片轉(zhuǎn)輪、5長5短葉片轉(zhuǎn)輪和6長6短葉片轉(zhuǎn)輪，所有的轉(zhuǎn)輪均具有良好的性能，都滿足電站工程要求。不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案的幾何參數(shù)如表5所示。

表5 不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)

該電站水頭變幅較大，水泵工況最高揚程與水輪機工況最小水頭的比值Hpmax/Htmin=1.152。較大的水頭變幅，使得水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動保證變得相對困難，同時也給“S”區(qū)安全裕度保證帶來了不小的難度。在該項目中開發(fā)的不同葉片數(shù)的水泵水輪機能量性能均能滿足電站要求，下面著重對不同葉片數(shù)水泵水輪機的無葉區(qū)壓力脈動特性和“S”特性進行比較和說明。

3.2 模型試驗結(jié)果

各轉(zhuǎn)輪的模型試驗在哈電高水頭試驗6臺進行，該臺試驗最高水頭100m，試驗流量范圍0～1m3/s，試驗臺綜合誤差小于±0.2%。

圖12～圖14為不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案壓力脈動和“S”特性的模型試驗結(jié)果。圖12為不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案水泵工況無葉區(qū)壓力脈動的比較；圖13為水輪機工況額定水頭下無葉區(qū)壓力脈動的比較；圖14為不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案“S”區(qū)臨界開度及安全裕度的比較，圖中各曲線為不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪“S”區(qū)臨界開度下N11-T11曲線。由圖12和圖13可以看出，隨著葉片數(shù)的增多，水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動幅值隨之降低，長短葉片轉(zhuǎn)輪在降低水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動幅值上具有明顯的優(yōu)勢；由圖14可以看出，設(shè)計合理的水泵水輪機轉(zhuǎn)輪，不論葉片數(shù)幾何，都可以做到“S”區(qū)具有足夠的安全裕度。在模型試驗中，還可借助頻譜分析對水泵水輪機各特征工況、特定位置壓力脈動的頻率進行深入分析，但是水泵水輪機壓力脈動頻率與電站固有頻率的關(guān)系還需要進行認真研究。

圖12 不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪水泵工況無葉區(qū)壓力脈動

圖13 不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪水輪機額定水頭無葉區(qū)壓力脈動

圖14 不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪“S”區(qū)臨界開度及安全裕度

通過該水頭段水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)，哈電長短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)技術(shù)更為深入和豐富。在該電站水泵水輪機水力研發(fā)中，首創(chuàng)了6長6短葉片水泵水輪機轉(zhuǎn)輪，并用于項目投標，通過中立的三方試驗臺同臺對比試驗，表明該水泵水輪機性能完全滿足項目招標要求。

4 結(jié)論及展望

（1）經(jīng)過多個水頭段水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)，取得了重要進展，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的混流式水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)技術(shù)；

（2）水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪水力性能的進一步提高，還需要進行更為詳細、周密的轉(zhuǎn)輪參數(shù)選擇論證工作；

（3）長短葉片的水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動幅值相對常規(guī)葉片有較大降低，但壓力脈動頻率與電站固有頻率的關(guān)系還需要進行認真研究。

文中符號及公式的說明：

ψ：壓力系數(shù)，

P：功率，MW；

Qp：原型機流量，m3/s；

NPSHp：原型機凈正吸入水頭，m；

Q11：單位流量，

η/ηBEP：相對效率 ；

ΔH/H：壓力脈動幅值，%；

N11：單位轉(zhuǎn)速，

T11：單位力矩，