陳秋華，張曉曦，何思源

（1.廈門理工學院 土木工程與建筑學院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學院 環(huán)境科學與工程學院，福建 廈門 361024；3.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430064）

1 研究背景

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔“救火員”的角色，需頻繁經(jīng)歷過渡過程，以在不同運行負荷間切換。過渡過程即抽水蓄能機組由一種穩(wěn)定運行工況轉換到另一穩(wěn)定運行工況的中間過程，包括啟動、增負荷、減負荷、停機和甩負荷等。據(jù)報道，廣州抽水蓄能電站在2009年一年僅機組啟停已達8447次[1]。在這類工況中，甩負荷是指機組突然從電網(wǎng)脫離而引發(fā)的導葉關閉停機過程，屬于事故工況，最容易引起破壞。例如：廣州抽水蓄能電站在甩負荷過程機組振動[2]；白山抽水蓄能電站甩負荷試驗時轉輪和導葉損壞[3]；某抽水蓄能電站甩負荷過程由于機組頂蓋螺栓斷裂發(fā)生抬機[4]；惠州抽水蓄能電站甩負荷調試過程機組嚴重損毀并發(fā)生電氣爆炸[5]。因此，在進行抽水蓄能電站水力設計時，水泵水輪機在甩負荷過渡過程中的水力特性是重要考慮因素之一[6]。

飛逸過渡過程又被稱為甩負荷導葉拒動過程，是一類特殊的甩負荷過渡過程。在發(fā)生這類工況時，水泵水輪機蝸殼上游的球閥應按預定規(guī)律關閉以盡快停機，保證機組調保參數(shù)不超標。但抽水蓄能電站的球閥控制系統(tǒng)復雜且開關頻繁，在動作過程中也會出現(xiàn)諸如密封投退失靈、閥門卡澀甚至卡死等事故[7-8]。若球閥無法在飛逸過程中正常關閉，水泵水輪機轉輪將在水力矩的作用下長時間處于變速轉動狀態(tài)，可能出現(xiàn)轉速、流量和水頭等參數(shù)的周期性大幅振蕩，即飛逸不穩(wěn)定現(xiàn)象[9]。在此過程中，水泵水輪機的瞬時工作點將在單位工作參數(shù)（如單位轉速和單位流量）平面上逐漸偏離最優(yōu)工況并反復進出反S特性區(qū)。

在水泵水輪機工作點逐漸偏離最優(yōu)工況的過程中，轉輪流動條件逐漸變差并出現(xiàn)流動分離。反S特性即形成于轉輪流動分離程度加重、分離范圍擴散的階段[10]。在反S特性區(qū)，轉輪內還會出現(xiàn)局部回流、渦結構和旋轉失速[11]等復雜流動現(xiàn)象，其中旋轉失速已被證明是水泵水輪機大量不穩(wěn)定特性的根源[12-13]?，F(xiàn)有研究表明，水泵水輪機在發(fā)電工況下的旋轉失速形成于飛逸工況附近，與轉輪進口區(qū)域的不穩(wěn)定渦結構有關[14]；其形成標志為在相鄰轉輪或導葉葉道交替出現(xiàn)不均勻失速渦團并跟隨轉輪次同步轉動[15]；最嚴重的旋轉失速發(fā)生于極低流量工況，伴隨著導葉區(qū)的局部回流現(xiàn)象[16]。這一流動結構會誘發(fā)高幅-低頻壓力脈動[16-18]，造成機組結構受力劇烈改變[19]，是抽水蓄能機組振動和結構損壞的根源之一。另外，現(xiàn)有研究也表明旋轉失速對水泵水輪機外特性有顯著影響，可能是反S特性的誘因[15，20-21]。可見，雖然球閥無法正常關閉的飛逸過渡過程出現(xiàn)概率較低，但因機組運行涉及反S特性，危害極大。為簡化表述，下文提到的飛逸過渡過程均指球閥不關閉的工況。

目前，國內外學者對水泵水輪機飛逸不穩(wěn)定現(xiàn)象及此過程中劇烈壓力脈動的影響因素已有初步研究，取得了一些成果。Martin[22]研究發(fā)現(xiàn)，水泵水輪機的飛逸不穩(wěn)定特性與其力矩特性曲線在飛逸點的斜率有關——正斜率可引發(fā)持續(xù)振蕩現(xiàn)象，反之則不會。Zeng 等[23]通過理論推導和模型試驗揭示了水泵水輪機飛逸不穩(wěn)定振蕩波的組成，并分析了抽水蓄能系統(tǒng)管道慣性時間常數(shù)（Tw）和機組慣性時間常數(shù)（Ta）對飛逸振蕩特性的影響，發(fā)現(xiàn)較小的Ta和較大的Tw有利于減弱飛逸振蕩。Xia 等[24]和李琪飛等[25]模擬了不同導葉開度下水泵水輪機飛逸工況的壓力脈動特性，結果表明大開度下的飛逸工況更容易出現(xiàn)劇烈壓力脈動。溫飛飛等[26]模擬了球閥對水泵水輪機飛逸過程的影響，發(fā)現(xiàn)關閉球閥不僅有助于緩解水擊壓力和機組轉速的上升，還可以有效抑制機組的飛逸振蕩和壓力脈動。Zhou 等[27]的研究表明轉輪葉片幾何參數(shù)對水泵水輪機飛逸不穩(wěn)定特性也有影響，采用有傾斜進口邊的轉輪葉片可以大幅減弱飛逸振蕩的幅值。Zhang 等[28]通過流態(tài)分析和壓力脈動頻譜分析證實水泵水輪機飛逸過程中劇烈的壓力脈動與轉輪進口的回流渦演化過程密切相關。這些研究對優(yōu)化水泵水輪機的水力設計，評估抽水蓄能電站發(fā)生飛逸過渡過程時的風險和制定相關控制措施提供了一定參考。

飛逸的起始點，即水泵水輪機的初始運行工況，也是飛逸過程的控制因素之一，但其對飛逸過程的影響尚不明確。當前為滿足電網(wǎng)的容量調節(jié)需求，水泵水輪機需頻繁在不同負荷工況下工作，運行范圍不斷被擴寬，例如我國《抽水蓄能可逆式水泵水輪機運行規(guī)程》[29]規(guī)定水泵水輪機的發(fā)電工況穩(wěn)定運行范圍為最大保證功率的50%～100%。另外，抽水蓄能電站（尤其是日調節(jié)型）的庫容一般較小，水位升降頻繁，機組可能經(jīng)常性運行于低水頭的部分負荷工況[30]，如天荒坪抽水蓄能電站的運行水頭日變幅為34～43 m[31]。可見，研究水泵水輪機不同初始運行工況對其飛逸過程水力特性是否有影響以及有何影響等問題具有現(xiàn)實意義。

目前，研究水力機械在過渡過程工況水力特性的主要手段仍是數(shù)值模擬[32]，包括一維和三維方法。一維方法可以將包括管道和機組在內的整個系統(tǒng)進行建模和快速求解，但只能得到水力機械的部分外特性（轉速、流量和水頭等），研究信息有限。三維方法能得到壓力脈動、轉輪受力及三維流態(tài)，可以彌補一維方法的不足，特別適用于對流動機理進行研究。但此類方法極為耗時，一般只能取水力機械局部研究，無法考慮輸水系統(tǒng)與水力機械之間的水力耦合。鑒于此，國內外相關學者一直在進行一維管道與三維水力機械耦合的過渡過程計算嘗試，以充分結合一維方法和三維方法的優(yōu)點。近幾年，這類方法發(fā)展較快，已在模擬泵系統(tǒng)[33]、帶混流式水輪機的水力發(fā)電系統(tǒng)[34]和帶水泵水輪機的抽水蓄能系統(tǒng)[9]的過渡過程中得到了成功應用。

本文采用一維管道與三維水泵水輪機耦合的數(shù)值模擬方法對某模型抽水蓄能系統(tǒng)中的水泵水輪機在不同初始運行工況下的飛逸過渡過程進行模擬，旨在比較不同初始運行工況下水泵水輪機飛逸過程的運行軌跡、壓力脈動、轉輪受力等主要水力特性的差別，分析這些差別產(chǎn)生的流態(tài)原因并探討其機理，為抽水蓄能電站過渡過程安全評估提供更全面的參考。

2 數(shù)值模擬與驗證

2.1 計算域研究對象為一臺裝置于模型抽水蓄能系統(tǒng)的可逆式水泵水輪機。計算域除水泵水輪機外，還包括其上、下游水力系統(tǒng)——上水箱、引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)（含尾水調壓室）和下水箱。這里將以漸變流為主的管道系統(tǒng)簡化為一維模型，對以急變流為主的水泵水輪機采用三維模型建模，計算域的劃分、三維水泵水輪機的體型以及主要參數(shù)如圖1所示。

圖1 計算域及水泵水輪機主要參數(shù)

2.2 數(shù)值模型及方法數(shù)值模擬通過ANSYS FLUENT 軟件及其用戶自定義函數(shù)平臺實現(xiàn)。水泵水輪機中的三維急變流用三維非恒定Navier-Stokes 方程結合能較好模擬流動分離的四方程v2-f 湍流模型[35]描述，并通過定義密度隨壓強變化的方式計入水體壓縮性[36]。轉輪區(qū)域的轉動采用能真實模擬轉輪葉片與導葉間動靜干涉效應的滑移網(wǎng)格模型實現(xiàn)，轉速根據(jù)飛逸過程轉輪所受的水力矩動態(tài)調整。求解采用壓力基分離式迭代算法，并用SIMPLEC 格式耦合壓強場與速度場。時間步長設置為4×10-4s，對應轉輪在額定轉速下轉過2.4°所需時間。每一時間步迭代結束的標準為各個方程的殘差均小于1×10-5，或達到最大迭代步數(shù)20。對水泵水輪機流道采用四面體（蝸殼）、六面體（轉輪）和棱柱體（導葉區(qū)和尾水管）網(wǎng)格混合的網(wǎng)格劃分方式進行空間離散，經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析，最終選取的網(wǎng)格總數(shù)約為430萬[9]。

與水泵水輪機相連接的上、下游管道系統(tǒng)中的漸變流用一維有壓非恒定流的動量方程和連續(xù)性方程描述，通過特征線法[37]求解。一維和三維計算域之間的流場數(shù)據(jù)交換用部分重疊網(wǎng)格法實現(xiàn)。此方法利用一維特征線法的求解不依賴未知時間步邊界條件的特點，先通過一維計算為三維區(qū)域提供邊界條件，再由三維計算獲得當前一維區(qū)域邊界條件[36]。

2.3 驗證先采用上述水泵水輪機三維模型對其在額定活動導葉開度（24°）下的穩(wěn)態(tài)工況進行模擬，將模擬結果單位化（式（1））后與由制造廠家提供的特性曲線對比如圖2。

式中：n11、Q11和M11分別為單位轉速、單位流量和單位力矩，r/min、m3/s和N·m；n、Q和M分別為轉速、流量和力矩，r/min、m3/s和N·m；H為工作水頭，m，定義為蝸殼進口和尾水管出口斷面平均總水頭的差值；D為轉輪進口直徑，m。

從圖2可見，模擬結果能較為準確地識別此水泵水輪機的反S特性，與特性曲線吻合較好。再用上述一維與三維耦合模型模擬了兩個由不同初始運行工況（100%額定負荷和低水頭60%額定負荷）開始的飛逸過程，初始工況定義如圖2和表1所示。這里用基于水泵水輪機特性曲線的全一維過渡過程計算結果作為標準，對耦合模擬結果進行驗證。全一維方法是當前工程設計的主要工具，其準確性已得到了大量工程實例的檢驗。另外，在全一維計算中采用本文模擬所得水泵水輪機特性曲線（圖2中實線）代替實際特性曲線（圖2中虛線），以盡量消除兩種方法間由水泵水輪機特性的誤差而引入的差別，突出對耦合模型的驗證。本文耦合模擬（1D-3D）與全一維計算（1D）所得飛逸過程水泵水輪機流量和轉速相對初始值的比值（r）隨時間變化過程的對比如圖3所示，可見兩者吻合較好。由結果還可看出，這兩個過程均呈現(xiàn)出顯著的飛逸不穩(wěn)定性，即流量和轉速隨時間呈周期性振蕩。在此過程中水泵水輪機的工作點往復通過反S特性區(qū)，詳細分析見3.1節(jié)。

圖2 模擬所得水泵水輪機在額定開度下的特性與其特性曲線對比

表1 飛逸過渡過程初始工況擬定

圖3 一維和一維與三維耦合模擬所得飛逸過程中水泵水輪機流量和轉速變化對比

3 結果與分析

3.1 水泵水輪機工作點運行軌跡工作點一般指水泵水輪機運行時單位參數(shù)（式（1））在笛卡爾坐標平面上所處的位置，可以綜合反映其工作狀態(tài)。水泵水輪機在過渡過程中的工作狀態(tài)隨時間而改變，其工作點也在坐標平面上移動，形成連續(xù)軌跡。這一軌跡與時間無關，可以用來對比不同過渡過程中水泵水輪機的運行特性。本文模擬所得兩種不同初始運行工況下水泵水輪機的飛逸軌跡（已濾去高頻脈動）與其在穩(wěn)態(tài)工況下的靜態(tài)軌跡（本文模擬所得特性曲線）對比如圖4所示，其中圖4（a）（b）為工作點在n11-Q11平面上的軌跡，圖4（c）（d）為工作點在n11-M11平面上的軌跡。由于飛逸過程中水泵水輪機流道內的水流慣性顯著且此時的瞬時流態(tài)與穩(wěn)態(tài)工況下的流態(tài)不同，飛逸軌跡在反S特性區(qū)呈周期性重復的扁圓環(huán)狀，與特性曲線并不重合。為了清楚對比兩種飛逸過程中水泵水輪機的運行特性，提取環(huán)狀軌跡的前兩個周期分別展示，如圖4所示。

水泵水輪機工作點在兩個坐標平面（n11-Q11平面和n11-M11平面）上的軌跡所表現(xiàn)出的特性相似。若水泵水輪機從額定工況開始飛逸（工況1），其運行軌跡較為平滑；若由部分負荷工況（60%額定出力）開始飛逸（工況2），其運行軌跡則會在某些階段呈現(xiàn)出劇烈跳動，即軌跡線出現(xiàn)顯著振蕩。在環(huán)狀軌跡第一個周期的流量下降階段，工況2的軌跡線振蕩最為劇烈，與工況1軌跡線的差別最大。在其后的流量回升和下降過程中，工況2軌跡線的振蕩逐漸衰減。在第二個周期的流量回升階段，雖然工況2的軌跡線上仍存小幅振蕩，但與工況1的軌跡線已基本重合。由此說明，不同初始運行工況對飛逸過程中水泵水輪機的瞬時工作狀態(tài)確有影響，這一影響在飛逸的初始階段最為明顯，隨著工作點在反S特性區(qū)的往復運動而逐漸減弱。為簡化描述，將環(huán)狀軌跡第一個周期的流量下降和上升階段分別定義為階段1和階段2，如圖4（a）（c）所示；將環(huán)狀軌跡第二個周期的流量下降和上升階段分別定義為階段3和階段4，如圖4（b）（d）所示。

圖4 不同初始運行工況的飛逸過程所得水泵水輪機工作點運行軌跡對比

圖5 不同初始運行工況的飛逸過程所得水泵水輪機流道壓力脈動幅值隨時間變化過程對比

3.2 壓力脈動壓力脈動是過渡過程工況需重點關注的現(xiàn)象之一——劇烈的壓力脈動不僅是水泵水輪機結構振動和破壞的直接原因，還可能與水擊壓力疊加，導致過渡過程最大或最小壓力超標，引起更加嚴重的事故。這里選取水泵水輪機流道內4個重點部位進行分析，包括蝸殼進口、固定導葉葉道、轉輪與導葉間的無葉區(qū)以及尾水管進口壁面，利用經(jīng)驗模態(tài)分解[38]提取出這4個部位壓強水頭信號中的脈動成分（h′）進行對比，結果如圖5所示。

兩工況間的對比顯示工況2在4個重點部位均呈現(xiàn)出比工況1更劇烈的壓力脈動。最劇烈的壓力脈動出現(xiàn)在階段1，即水泵水輪機工作點在反S區(qū)往復運動的第一個周期中流量下降階段。在這一階段中，工況2的壓強水頭先是呈現(xiàn)與工況1大體相等的脈動，但很快發(fā)生突增，脈動幅值顯著加大。這種劇烈壓力脈動在階段1的后期開始衰減，在階段2減弱到與工況1大體相等（或稍大于工況1）的幅值。在階段3和4，即水泵水輪機工作點在反S區(qū)往復運動的第二個周期，以上現(xiàn)象再次發(fā)生，但工況2中壓力脈動的突增相對于第一周期發(fā)生較晚、幅值較小且衰減更快。由此可見，在由部分負荷工況開始的飛逸過程中，水泵水輪機內容易出現(xiàn)壓力脈動幅值的突增。這種突增現(xiàn)象主要發(fā)生于水泵水輪機工作點往復通過反S區(qū)時的流量下降階段，且在第二次發(fā)生時衰減較明顯。

3.3 轉輪葉片受力轉輪受力失衡是抽水蓄能機組軸系擺動或轉動部件上抬的根源，是過渡過程安全評估的重要內容。水泵水輪機轉輪受力應包括轉輪內腔和外腔的受力，但本文數(shù)值模擬未考慮轉輪與固定部件間的間隙流動，固僅選取轉輪內腔的葉片進行受力分析。圖6展示了兩種工況下轉輪葉片徑向力（水平方向受力）隨時間的變化過程，其中黑線為徑向力，藍線和紅線分別為徑向力在相互垂直的兩坐標軸（x軸沿上下游方向，y軸垂直于上下游方向）上的分量Fx和Fy，紫紅色曲線表示徑向力的數(shù)值變化范圍。圖7對比了兩種工況下轉輪葉片的軸向力（豎直方向受力，F(xiàn)z）隨時間變化過程，這里以豎直向下為正。

圖6 不同初始運行工況的飛逸過程所得水泵水輪機轉輪葉片徑向力變化對比

圖7 不同初始運行工況的飛逸過程所得水泵水輪機轉輪葉片軸向力變化對比

兩種飛逸過程中轉輪葉片徑向力的變化規(guī)律與上述壓力脈動變化規(guī)律具有一致性，具體體現(xiàn)在：（1）由部分負荷工況開始的飛逸過程（工況2）比由額定工況開始的飛逸過程（工況1）更容易引起轉輪葉片徑向力的突變；（2）這些突變發(fā)生于水泵水輪機工作點往復經(jīng)過反S區(qū)時的流量下降階段，而在流量回升階段，兩種工況間徑向力的差別不大。不同于壓力脈動變化規(guī)律的是工況2中徑向力的突變幅值更大——此工況在階段1中的最大徑向力是工況1在相同階段最大值的7倍。另外，隨著水泵水輪機工作點的持續(xù)移動，徑向力再次突變后的最大幅值衰減不明顯（階段1和3中徑向力的最大幅值幾乎相等，如圖6（b）所示）。因此，初始運行工況對水泵水輪機飛逸過程中轉輪葉片徑向力變化規(guī)律的影響較為顯著，在由部分負荷開始的飛逸過程中此類受力容易發(fā)生突變，突變后的幅值遠超由額定工況開始的飛逸過程中的轉輪葉片徑向力幅值。

由圖7可以看出，兩種飛逸過程中轉輪葉片軸向力的變化規(guī)律與徑向力規(guī)律不同。兩個軸向力曲線雖然初始值不同，但都呈現(xiàn)出了相似的變化過程。工況2的數(shù)據(jù)雖然在階段1 仍出現(xiàn)了波動現(xiàn)象，但幅值較小，可以忽略。因此，初始運行工況對水泵水輪機飛逸過程中轉輪葉片軸向力的變化規(guī)律幾乎沒有影響。

3.4 轉輪流態(tài)兩個飛逸過程中水泵水輪機水力特性的差別極可能與其進行能量轉換的核心部件——轉輪內的流態(tài)演化規(guī)律有關，而工況2中出現(xiàn)的水泵水輪機運行軌跡、壓力脈動和轉輪受力突變現(xiàn)象，極可能是由轉輪流動失穩(wěn)導致的。水泵水輪機轉輪內最嚴重的流動失穩(wěn)現(xiàn)象叫做旋轉失速[12-13]，即各葉道形成不均勻失速團并跟隨轉輪次同步旋轉的現(xiàn)象，因此轉輪流態(tài)是否失穩(wěn)及失穩(wěn)程度可以通過對比轉輪各葉道流態(tài)的相似性進行判別。本文以同一時刻轉輪各葉道的過流量離散程度，即葉道流量標準差（式（2））來對轉輪各葉道流態(tài)的相似性性進行評估。此值約接近0 說明各葉道過流量差別不大，流態(tài)相似程度較高，即流動穩(wěn)定；此值越大說明各葉道過流能力相差較大，流態(tài)差別顯著，即失穩(wěn)較嚴重。

式中：σ為轉輪葉道流量標準差，m3/s；N為葉道總數(shù)；qi表示第i個葉道的過流量，m3/s。

由兩飛逸過程中轉輪葉道流量標準差隨時間變化過程對比可以看出，初始運行工況對水泵水輪機轉輪流態(tài)穩(wěn)定性有較大影響，如圖8所示。在由部分負荷工況開始的飛逸過程中（工況2），轉輪葉道流量標準差在水泵水輪機工作點往復經(jīng)過反S區(qū)的各個階段均出現(xiàn)了局部上升。這種上升在階段1和3表現(xiàn)為突升且幅值較高，在階段2和4則表現(xiàn)為較微弱的緩升，說明轉輪流態(tài)最有可能在階段1和3 出現(xiàn)失穩(wěn)。在由額定工況開始的飛逸過程中（工況1），雖然轉輪葉道流量標準差在每個階段也出現(xiàn)了局部上升，但都表現(xiàn)為緩升，且在階段1和3的升幅遠小于工況2，在階段2和4的升幅與工況2相當。由此可推斷，工況2中轉輪流態(tài)在階段1和3 相對工況1而言穩(wěn)定性差，在階段2和4的穩(wěn)定性與工況1一致。結合前述分析，兩工況間轉輪流態(tài)穩(wěn)定性出現(xiàn)差異的階段與水泵水輪機運行軌跡、壓力脈動和轉輪徑向力變化規(guī)律改變的階段相對應，且流態(tài)的失穩(wěn)及這些水力特性的改變均表現(xiàn)出突變的特點，說明在由部分負荷開始的飛逸過程中轉輪流態(tài)的失穩(wěn)是水泵水輪機水力特性改變的根本原因。

圖8 不同初始運行工況的飛逸過程所得水泵水輪機轉輪葉道流量標準差變化對比

為進一步證實上述關于工況1和2中轉輪流態(tài)穩(wěn)定性的論斷，選取工況2各個階段轉輪葉道流量標準差最大的工作點（圖8（b）中P1B、P2B、P3B和P4B）顯示其轉輪流態(tài)（根據(jù)相對流速矢量繪制的流線圖），并從圖4選取工況1中與之相近的工作點（P1A、P2A、P3A和P4A）的流態(tài)進行對比，如圖9所示。

圖9 不同初始運行工況的飛逸過程所得水泵水輪機轉輪流態(tài)對比

從圖9定性來看，在工況1的不同階段，轉輪流態(tài)均保持穩(wěn)定，即同一時刻轉輪各葉道流線形狀和分布基本一致。在工況2中，轉輪流態(tài)在階段2和4（圖9（f）（h））相對穩(wěn)定，但在階段1和3（圖9（e）（g））出現(xiàn)了明顯的失穩(wěn)跡象——部分葉道流線較為平順，部分葉道被一個或多個失速團堵塞。這些不均勻分布的失速團破壞了轉輪流態(tài)的對稱性，容易引發(fā)附加的壓力脈動和徑向不平衡力，進而影響水泵水輪機的宏觀運行參數(shù)，導致運行軌跡出現(xiàn)劇烈跳動。

3.5 機理討論以上結果顯示：在由額定工作點開始的飛逸過程中，水泵水輪機的流態(tài)演化及表現(xiàn)出的水力特性均較為穩(wěn)定；在由部分負荷工況開始的飛逸過程中，容易出現(xiàn)流態(tài)失穩(wěn)，進而引起水泵水輪機水力特性的突變，具體表現(xiàn)為機組運行軌跡的劇烈跳動以及流道壓力脈動和轉輪葉片所受徑向水推力的幅值突增。這兩個飛逸過程發(fā)生條件的差別僅在于初始運行工況，說明初始運行工況對水泵水輪機在飛逸過程中的流態(tài)和水力特性均有顯著影響。這一現(xiàn)象的機理可用過渡過程中瞬時流態(tài)的演化存在遲滯效應來解釋。

遲滯效應一般指系統(tǒng)的輸出不僅與當前輸入有關，也受輸入過程影響的現(xiàn)象。對于水泵水輪機，可以認為其在過渡過程中的流態(tài)演化是連續(xù)進行的，某一時刻的瞬時流態(tài)在受當前工況（當前輸入）影響的同時也會在一定程度保留之前工況（輸入過程）的流態(tài)特征。這一效應在水泵水輪機運行工況變化過程中并不鮮見，已被證明存在于水泵工況的駝峰區(qū)和水輪機工況的反S區(qū)[39-40]。本文的發(fā)現(xiàn)也可以用瞬時流態(tài)的演化存在遲滯效應來解釋。水泵水輪機在額定工作點運行時轉輪進、出口流動條件處于最優(yōu)狀態(tài)（無撞擊入流和法向出流），流態(tài)平順且穩(wěn)定性較強。若由此點發(fā)生飛逸過渡過程，雖然轉輪進、出口的流動條件（可由速度三角形表示）逐漸變差，但由于遲滯效應，流態(tài)仍能保留初始點的穩(wěn)定流動特征，不容易失穩(wěn)。在部分負荷下，水流在轉輪進、出口形成撞擊和分離，流態(tài)較差。在由此類工況開始的飛逸過程中轉輪流動條件變化雖然與前一飛逸過程相似，但同樣由于遲滯效應，瞬時流態(tài)保留了初始時的不良特征（撞擊和流動分離），更容易失穩(wěn)。隨著瞬時工況偏離初始工況的時間加長，瞬時流態(tài)保留初始工況流動特征的能力逐漸減弱，因此工況2中在水泵水輪機工作點往復通過反S區(qū)的第二個周期，轉輪流態(tài)的失穩(wěn)程度和各種水力特性的突變幅值普遍小于第一周期。

4 結論

本文采用一維管道與三維水泵水輪機耦合的數(shù)值模擬研究了某模型抽水蓄能系統(tǒng)中水泵水輪機不同初始運行工況對其飛逸過渡過程水力特性的影響。結果顯示，相對于由額定工況開始的飛逸過程，由部分負荷工況開始的飛逸過程更容易引起水泵水輪機運行軌跡、壓力脈動和轉輪徑向力的突變，形成高幅振蕩或脈動。這些突變主要發(fā)生在水泵水輪機工作點往復經(jīng)過反S特性區(qū)時的流量下降階段。在多次突變過程中，運行軌跡線和壓力脈動的最大幅度衰減較快，而轉輪徑向力的最大幅值衰減不明顯。以上現(xiàn)象的直接原因是在由流動條件較差的部分負荷工況開始的飛逸過程中水泵水輪機轉輪內更容易形成部分葉道流態(tài)平順而部分葉道失速的流動失穩(wěn)，機理是水泵水輪機飛逸過程中的瞬時流態(tài)演化存在遲滯效應，即某一瞬時工況的流態(tài)可在一定程度保留相應初始工況的流動特征。

為充分發(fā)揮抽水蓄能機組的容量調節(jié)功能，水泵水輪機越來越頻繁地在部分負荷工況下運行。根據(jù)以上結果，若水泵水輪機在部分負荷工況下發(fā)生飛逸過渡過程，因劇烈壓力脈動和轉輪徑向力而引發(fā)機組振動和軸系擺動的可能性大增，發(fā)生結構破壞甚至“掃膛”（轉子與定子碰撞）事故的概率也更大。因此，在進行抽水蓄能電站過渡過程風險評估時，還應充分考慮初始運行工況對飛逸過程中水泵水輪機一系列水力特性的影響。

由于未與試驗數(shù)據(jù)對比，本文通過數(shù)值模擬所得結果的精度還難以評估，今后仍需更全面驗證本文的結果和結論。另外，本文對象為模型系統(tǒng)，下一步還應繼續(xù)在原型系統(tǒng)上開展相關研究，以便為解決實際工程問題提供指導。