何海平，張 勇，楊光東，唐兆祥，鄭津生

（1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

水泵水輪機(jī)水泵工況揚(yáng)程—流量曲線通常表現(xiàn)為負(fù)斜率，即揚(yáng)程隨流量的增加而降低，而在小流量高揚(yáng)程區(qū)存在一個(gè)不穩(wěn)定的正斜率區(qū)域，揚(yáng)程隨流量的增加而升高，揚(yáng)程—流量曲線表現(xiàn)出近似“駝峰”的形狀見圖1，該區(qū)域稱為水泵工況的“駝峰”特性區(qū)。水泵在“駝峰”區(qū)運(yùn)行時(shí)，水力穩(wěn)定性極差，流道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)劇烈的水力振動(dòng)，通常會(huì)造成機(jī)組劇烈擺動(dòng)及輸水系統(tǒng)的震蕩，導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)，嚴(yán)重時(shí)可能引起機(jī)組或輸水系統(tǒng)破壞[1]。

圖1 水泵工況駝峰曲線示意圖

“駝峰”區(qū)不穩(wěn)定性是目前影響抽蓄機(jī)組安全運(yùn)行的重要問題之一，其研究難度要大于常規(guī)水輪機(jī)與水泵單向流道中的湍流問題。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)水泵水輪機(jī)的“駝峰”不穩(wěn)定流動(dòng)研究較少，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理還沒有形成明確統(tǒng)一的結(jié)論。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，水泵工況“駝峰”區(qū)的形成與轉(zhuǎn)輪入口的復(fù)雜漩渦流動(dòng)有關(guān)，隨著流量的減小，轉(zhuǎn)輪入口處的速度沿軸向高度分布變得不均勻，隨后出現(xiàn)回流，入口的漩渦結(jié)構(gòu)改變了葉片從入口到出口的負(fù)荷變化[2]。BRAUN 等[3]通過(guò)三維非定常CFD數(shù)值模擬，分析了水泵水輪機(jī)水泵工況“駝峰”區(qū)的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)損失情況，發(fā)現(xiàn)在即將進(jìn)入駝峰區(qū)時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉間存在強(qiáng)烈的旋渦，流動(dòng)情況變得惡劣，認(rèn)為“駝峰”特性與雙列葉柵中的二次流密切相關(guān)，導(dǎo)葉內(nèi)部的流動(dòng)失速會(huì)對(duì)“駝峰”的形成產(chǎn)生影響。李德友 等[4]采用SSTk-ω湍流模型對(duì)某一水泵水輪機(jī)模型進(jìn)行了三維非定常數(shù)值模擬，結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，得出“駝峰”特性是由相應(yīng)工況點(diǎn)歐拉動(dòng)量的減小和轉(zhuǎn)輪部分損失的增加共同作用的結(jié)果。冉紅娟 等[5]同樣采用SST湍流模型較好的預(yù)測(cè)出水泵工況揚(yáng)程—流量曲線趨勢(shì)和“駝峰”峰谷點(diǎn)位置，通過(guò)流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)水泵工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的復(fù)雜旋渦流動(dòng)及活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)紊亂的分離流動(dòng)與“駝峰”區(qū)的形成存在密切聯(lián)系。IINO 等[6]通過(guò)對(duì)一個(gè)具有兩個(gè)不連續(xù)“駝峰”的離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，認(rèn)為“駝峰”區(qū)的產(chǎn)生和葉輪入口區(qū)域及擴(kuò)散段中心區(qū)域的復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)有關(guān)。DANCIOCAN等[7]利用LDV和PIV技術(shù)，得到了正斜率區(qū)內(nèi)活動(dòng)導(dǎo)葉之間速度場(chǎng)分布，觀察到了瞬態(tài)雙列葉柵流道內(nèi)速度分布，發(fā)現(xiàn)雙列葉珊流道內(nèi)復(fù)雜的紊亂流動(dòng)與“駝峰”區(qū)的形成存在明顯的因果關(guān)系。王煥茂 等[8]利用數(shù)值模擬對(duì)水泵水輪機(jī)水泵工況“駝峰”區(qū)流速分布、渦分布進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)“駝峰”區(qū)最低點(diǎn)時(shí)水泵進(jìn)口出現(xiàn)明顯回流。楊衛(wèi)彬 等[9]對(duì)水泵水輪機(jī)“駝峰”區(qū)的多工況進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，認(rèn)為大量的渦流運(yùn)動(dòng)和流道內(nèi)局部壓力的劇烈變化是水泵工況“駝峰”區(qū)壓力脈動(dòng)幅值增大的主要根源。

當(dāng)水泵水輪機(jī)機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)，“駝峰”區(qū)會(huì)引發(fā)機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲等不穩(wěn)定現(xiàn)象，直接影響機(jī)組的運(yùn)行品質(zhì)。從安全穩(wěn)定角度考慮，在水力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)避免機(jī)組在“駝峰”區(qū)內(nèi)運(yùn)行并具有一定的安全裕度，以提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

本文研究依托于兩河口混合式抽水蓄能電站項(xiàng)目，對(duì)兩個(gè)模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行單流道CFD計(jì)算，分析了轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉在“駝峰”谷點(diǎn)時(shí)的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)水泵能量特性計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，形成了水泵水輪機(jī)水泵工況“駝峰”裕度相對(duì)大小的單流道CFD計(jì)算評(píng)判方法，為水力開發(fā)中不同轉(zhuǎn)輪“駝峰”性能的相對(duì)比較提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 計(jì)算物理模型

水泵水輪機(jī)的過(guò)流部件主要包括蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管。在通流部件設(shè)計(jì)完成后，主要通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪來(lái)提升水泵水輪機(jī)的綜合水力性能。經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐驗(yàn)證，單流道計(jì)算可以較好的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)輪的主要水力性能，相比全流道計(jì)算可以節(jié)約大量的時(shí)間成本，在有限的開發(fā)周期內(nèi)可明顯提高水力開發(fā)成功率。

本文數(shù)值計(jì)算基于大型商業(yè)軟件ANSYS CFX，采用單流道定常計(jì)算，即1個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片配合1枚活動(dòng)導(dǎo)葉，數(shù)值計(jì)算模型見圖2，在圓周方向上轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為20。轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉流體域采用AutoGrid5劃分高質(zhì)量六面體網(wǎng)格，在近壁面附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密細(xì)化處理，見圖3，網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量滿足計(jì)算精度的要求，且經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格信息見表1。

表1 單流道數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格信息

圖2 單流道數(shù)值計(jì)算模型

圖3 轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分

1.2 計(jì)算方法與邊界條件

水泵工況單流道定常計(jì)算基于ANSYS CFX，湍流模型采用湍模型[10]，該模型是在BLSK-ω模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)了渦黏性的定義，考慮了湍流主切應(yīng)力運(yùn)輸?shù)挠绊?，可以?zhǔn)確預(yù)測(cè)流體在逆壓梯度作用下產(chǎn)生的流動(dòng)分離現(xiàn)象，因此這種湍流模型更適合對(duì)流區(qū)的計(jì)算。此外，模型還考慮了正交耗散項(xiàng)，從而使得方程在近壁面和遠(yuǎn)壁面都適合。

數(shù)值計(jì)算求解控制方面，對(duì)流項(xiàng)采用迎風(fēng)離散格式，湍流項(xiàng)采用一階離散格式，物理時(shí)間尺度為轉(zhuǎn)速的倒數(shù)，內(nèi)迭代收斂精度為10-6。

計(jì)算域參考?jí)毫o定為1個(gè)大氣壓，進(jìn)口采用Opening邊界條件，其相對(duì)壓力取0，出口采用Mass Flow Rate邊界條件，轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉交接面采用Stage (Mixing-Plane)方法，以便進(jìn)行動(dòng)靜區(qū)域的數(shù)據(jù)傳遞，轉(zhuǎn)輪及活動(dòng)導(dǎo)葉周期交接面設(shè)為Rotational Periodicity，域內(nèi)所有壁面均為光滑壁面。

1.3 計(jì)算工況

本文對(duì)兩個(gè)水泵水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪A和B在活動(dòng)導(dǎo)葉開度為21°時(shí)進(jìn)行了不同流量工況下的模型定常單流道計(jì)算，流量系數(shù)范圍0.177~0.372，轉(zhuǎn)輪A和B的主要幾何參數(shù)見表2，轉(zhuǎn)輪葉片三維實(shí)體對(duì)比見圖4。總體而言，相比轉(zhuǎn)輪A，轉(zhuǎn)輪B葉片上冠、下環(huán)側(cè)的包角及高壓邊直徑更大，高壓邊的安放角保持一致。

表2 轉(zhuǎn)輪A、B主要幾何參數(shù)

圖4 轉(zhuǎn)輪A、B葉片實(shí)體對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 水泵壓力系數(shù)分析

本文將水泵的揚(yáng)程和流量分別用無(wú)量綱參數(shù)流量系數(shù)φ、壓力系數(shù)ψ表示，其定義如下：

其中，Q為流量，D為轉(zhuǎn)輪葉片低壓邊與下環(huán)相交處的直徑D2，H為水泵揚(yáng)程，u為水泵工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)口圓周速度，定義為u=πnD/60，n為轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)輪A和B水泵工況壓力系數(shù)—流量系數(shù)曲線單流道定常計(jì)算結(jié)果見圖5，轉(zhuǎn)輪B的壓力系數(shù)比轉(zhuǎn)輪A高，對(duì)于轉(zhuǎn)輪A，流量系數(shù)在0.257~0.372范圍內(nèi)壓力系數(shù)隨流量系數(shù)變化的斜率一致，當(dāng)流量系數(shù)從0.257減小至0.248時(shí)水泵壓力系數(shù)增加變緩，壓力系數(shù)—流量系數(shù)曲線斜率增加；對(duì)于轉(zhuǎn)輪B，流量系數(shù)在0.266~0.372范圍內(nèi)壓力系數(shù)隨流量系數(shù)變化的斜率一致，當(dāng)流量系數(shù)從0.266減小至0.257時(shí)水泵壓力系數(shù)—流量系數(shù)曲線斜率增加。本文將單流道計(jì)算時(shí)隨著流量系數(shù)的減小壓力系數(shù)增加首次出現(xiàn)變緩的工況點(diǎn)稱為壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，水泵在該點(diǎn)的效率明顯下降，“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”對(duì)于判斷不同轉(zhuǎn)輪的“駝峰”性能具有較好的指導(dǎo)意義。

圖5 水泵工況壓力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

水泵壓力系數(shù)—流量系數(shù)曲線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖6。結(jié)果表明，壓力系數(shù)計(jì)算值比試驗(yàn)值大，尤其在小流量區(qū)域二者的偏差更加明顯，但單流道計(jì)算可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同轉(zhuǎn)輪壓力系數(shù)的相對(duì)大小。在試驗(yàn)效率最優(yōu)點(diǎn)時(shí)，壓力系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值非常接近，誤差在0.5%以內(nèi)，計(jì)算精度足以滿足水力開發(fā)的需求。在大于試驗(yàn)最優(yōu)點(diǎn)流量系數(shù)時(shí)，壓力系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差隨流量系數(shù)的增加而增大，計(jì)算得到的壓力系數(shù)—流量系數(shù)曲線更加平緩，水泵的流量范圍比試驗(yàn)結(jié)果更寬。

圖6 壓力系數(shù)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

單流道計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪A和B在流量系數(shù)0.177~0.372范圍內(nèi)沒有正斜率區(qū)域，但模型試驗(yàn)中出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪A有一個(gè)“駝峰”特性區(qū)，轉(zhuǎn)輪B存在兩個(gè)“駝峰”區(qū)，且轉(zhuǎn)輪B的第一“駝峰”先于轉(zhuǎn)輪A出現(xiàn)，但轉(zhuǎn)輪B的“駝峰”谷點(diǎn)比轉(zhuǎn)輪A高。單流道計(jì)算得到的壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”與試驗(yàn)第一“駝峰”谷點(diǎn)位置比較見表3，其中，φturn、ψturn分別表示 “轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的流量系數(shù)和壓力系數(shù)，φhump、ψhump分別表示“駝峰”谷點(diǎn)的流量系數(shù)和壓力系數(shù)。模型試驗(yàn)得到的第一“駝峰”谷點(diǎn)流量系數(shù)均小于“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，約為“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”流量系數(shù)的0.9倍，轉(zhuǎn)輪A的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”流量系數(shù)比轉(zhuǎn)輪B小0.009，轉(zhuǎn)輪A第一“駝峰”谷點(diǎn)流量系數(shù)比轉(zhuǎn)輪B小0.013，此外，轉(zhuǎn)輪B“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”壓力系數(shù)比轉(zhuǎn)輪A大0.36%，轉(zhuǎn)輪B第一“駝峰”谷點(diǎn)壓力系數(shù)比轉(zhuǎn)輪A大2.93%。

表3 壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”與第一“駝峰”谷點(diǎn)位置比較

在水泵平均流量相近的情況下，轉(zhuǎn)輪A、B的“駝峰”裕度見表4，其中，ψmax為最高揚(yáng)程對(duì)應(yīng)的壓力系數(shù)。雖然轉(zhuǎn)輪B第一“駝峰”出現(xiàn)得比轉(zhuǎn)輪A早，但轉(zhuǎn)輪B的第一、第二“駝峰”裕度分別為5.0%、4.9%，而轉(zhuǎn)輪A的“駝峰”裕度為2.3%。由此可見，壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同轉(zhuǎn)輪的“駝峰”特性，包括“駝峰”谷點(diǎn)流量系數(shù)和壓力系數(shù)的相對(duì)大小，對(duì)優(yōu)化水泵工況“駝峰”裕度具有較好的指導(dǎo)意義。

表4 “駝峰”裕度試驗(yàn)結(jié)果比較

結(jié)合水泵能量特性試驗(yàn)結(jié)果與轉(zhuǎn)輪葉片幾何參數(shù)分析，適當(dāng)增加葉片高壓邊直徑、增大葉片總包角、減小高壓邊安放角在一定程度上可有效提高“駝峰”裕度，但高壓邊直徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值增加，葉片包角過(guò)大、高壓邊安放角過(guò)小會(huì)引起水泵揚(yáng)程和效率下降。綜合而言，在水力設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片各幾何參數(shù)之間的匹配關(guān)系，使得水泵壓力系數(shù)增加、“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”流量系數(shù)減小，可有效推遲“駝峰”的出現(xiàn)并提高“駝峰”裕度，進(jìn)而提升機(jī)組在水泵工況小流量、高揚(yáng)程區(qū)域的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.2 壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”流場(chǎng)分析

圖7為轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉在壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”時(shí)各截面上流線分布。在“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)輪A，在span=0.05截面（近上冠）上葉片正面從低壓邊頭部至約二分之一葉片長(zhǎng)度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的流動(dòng)分離，未見旋渦產(chǎn)生，該區(qū)域內(nèi)流速較低，會(huì)在一定程度上堵塞相鄰葉片間流體向高壓側(cè)的正常流動(dòng)，并引起活動(dòng)導(dǎo)葉流道內(nèi)該截面（近頂蓋）上流態(tài)演變得非常紊亂，在導(dǎo)葉正面和背面均出現(xiàn)明顯的脫流現(xiàn)象，導(dǎo)葉正面的脫流引起轉(zhuǎn)輪出口至導(dǎo)葉進(jìn)口之間的無(wú)葉區(qū)存在大范圍的旋渦，導(dǎo)葉背面的脫流導(dǎo)致尾緣附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的回流，此類不穩(wěn)定流動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響流體向固定導(dǎo)葉的傳遞，導(dǎo)致活動(dòng)導(dǎo)葉的過(guò)流能力降低，因而該工況下水泵效率急劇下降以及揚(yáng)程的增加變緩甚至降低。雖然轉(zhuǎn)輪B在span=0.05截面上沒有出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，流態(tài)得到明顯改善，其對(duì)水流的控制能力更強(qiáng)，但在對(duì)應(yīng)活動(dòng)導(dǎo)葉流道內(nèi)截面上的流態(tài)分布與配合轉(zhuǎn)輪A時(shí)相似，不穩(wěn)定流動(dòng)強(qiáng)度有所減弱。轉(zhuǎn)輪A和B在span=0.5和span=0.95（近下環(huán)）截面上流線分布光順均勻，未見不穩(wěn)定流動(dòng)，在span=0.5截面上活動(dòng)導(dǎo)葉背面約五分之三導(dǎo)葉長(zhǎng)度處開始出現(xiàn)微弱脫流并在尾緣附近形成局部小旋渦，在活動(dòng)導(dǎo)葉流道內(nèi)span=0.95截面（近底環(huán)）上流態(tài)過(guò)渡平順，速度分布均勻。

圖7 壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”工況速度流線圖（左：轉(zhuǎn)輪A，右：轉(zhuǎn)輪B）

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)輪和活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)分析，可以發(fā)現(xiàn)，配合同一套活動(dòng)導(dǎo)葉時(shí)通過(guò)水力優(yōu)化可改善轉(zhuǎn)輪在近上冠截面上的流態(tài)分布，消除不穩(wěn)定流動(dòng)，但在相應(yīng)活動(dòng)導(dǎo)葉流道內(nèi)截面上的紊流只能在有限程度上減弱，并不能徹底消除，因此，活動(dòng)導(dǎo)葉近頂蓋區(qū)域的紊流是水泵壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”產(chǎn)生的主要原因。

2.3 “駝峰”谷點(diǎn)流場(chǎng)分析

圖8為轉(zhuǎn)輪和活動(dòng)導(dǎo)葉在第一“駝峰”谷點(diǎn)下各截面上流線分布。對(duì)于轉(zhuǎn)輪，在span=0.05截面上，轉(zhuǎn)輪A葉片正面從低壓邊頭部至約五分之三葉片長(zhǎng)度范圍內(nèi)出現(xiàn)圓周方向上更寬的流動(dòng)分離，無(wú)旋渦產(chǎn)生，該不穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)域會(huì)阻礙流體的正常流動(dòng)，相比而言，轉(zhuǎn)輪B在該截面上流態(tài)更加平順，在葉片正面出現(xiàn)輕微的分離現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪A和B在span=0.5、0.95兩個(gè)截面上的流動(dòng)較為理想，轉(zhuǎn)輪B的流態(tài)略好。

圖8 第一“駝峰”谷點(diǎn)工況速度流線圖（左：轉(zhuǎn)輪A，右：轉(zhuǎn)輪B）

對(duì)于活動(dòng)導(dǎo)葉，在配合不同轉(zhuǎn)輪時(shí)，在span=0.05截面上流線分布均勻、沒有出現(xiàn)紊流；在span=0.5截面上，導(dǎo)葉背面中部至尾緣范圍內(nèi)出現(xiàn)脫流；在span=0.95截面上，配合轉(zhuǎn)輪A時(shí)，導(dǎo)葉背面前緣附近出現(xiàn)脫流并引起相鄰導(dǎo)葉尾緣附近產(chǎn)生大范圍的回流，導(dǎo)葉正面前緣附近出現(xiàn)明顯的旋渦，其范圍約為導(dǎo)葉長(zhǎng)度的三分之一；配合轉(zhuǎn)輪B時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉近底環(huán)截面上流態(tài)分布與配合轉(zhuǎn)輪A時(shí)相似，但導(dǎo)葉正面前緣附近產(chǎn)生的旋渦范圍更寬，不穩(wěn)定流動(dòng)更加劇烈。

通過(guò)對(duì)“駝峰”谷點(diǎn)工況下轉(zhuǎn)輪和活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)分析，可以發(fā)現(xiàn)，配合同一套活動(dòng)導(dǎo)葉時(shí)，通過(guò)水力優(yōu)化可改善轉(zhuǎn)輪在各截面上的流態(tài)分布，消除或減弱不穩(wěn)定流動(dòng)，但轉(zhuǎn)輪流態(tài)的改善不一定能同時(shí)改善活動(dòng)導(dǎo)葉流道內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，活動(dòng)導(dǎo)葉近底環(huán)區(qū)域的不穩(wěn)定流動(dòng)會(huì)嚴(yán)重阻礙流體向下一級(jí)擴(kuò)散葉的正常流動(dòng)，活動(dòng)導(dǎo)葉的過(guò)流能力減弱，導(dǎo)致水泵揚(yáng)程降低，因此，活動(dòng)導(dǎo)葉近底環(huán)區(qū)域的紊流是水泵“駝峰”產(chǎn)生的主要原因。

轉(zhuǎn)輪葉片表面流線分布見圖9，相比而言，轉(zhuǎn)輪B葉片表面流線分布更加平順均勻，但二者表現(xiàn)出一致的流動(dòng)規(guī)律，即流經(jīng)葉片低壓邊近上冠側(cè)的部分流體在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)存在向下環(huán)側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，從而擾亂近下環(huán)區(qū)域流體向活動(dòng)導(dǎo)葉的正常流動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化可適度弱化該流動(dòng)趨勢(shì)，但不能完全消除，上述轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流動(dòng)特征是“駝峰”谷點(diǎn)時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉近底環(huán)區(qū)域產(chǎn)生多種不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象的直接誘因，為水泵“駝峰”現(xiàn)象的內(nèi)在原因。

圖9 轉(zhuǎn)輪葉片表面流線分布

因此，在水力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)兼顧能量外特性與流動(dòng)內(nèi)特性，增強(qiáng)各過(guò)流部件對(duì)流量的適應(yīng)性，改善極端工況下的內(nèi)部流態(tài)，盡量弱化不穩(wěn)定流動(dòng)，從而提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文以兩個(gè)水泵水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪為研究對(duì)象，對(duì)單流道CFD計(jì)算及模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，形成了水泵水輪機(jī)水泵工況“駝峰”特性區(qū)安全裕度單流道CFD計(jì)算評(píng)判方法，同時(shí)對(duì)壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”和“駝峰”谷點(diǎn)工況下轉(zhuǎn)輪及活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了初步分析，得出以下結(jié)論：

(1)水泵水輪機(jī)水泵工況單流道計(jì)算時(shí)，在一定范圍內(nèi)壓力系數(shù)隨流量系數(shù)的減小而均勻升高，越過(guò)某一流量系數(shù)時(shí)壓力系數(shù)的增加變緩甚至降低，本文將流量系數(shù)減小的方向上壓力系數(shù)首次出現(xiàn)增加變緩甚至降低的工況定義為壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，該點(diǎn)對(duì)于判別不同轉(zhuǎn)輪方案“駝峰”性能優(yōu)劣具有較好的指導(dǎo)意義。

(2)利用單流道計(jì)算分析不同轉(zhuǎn)輪方案“駝峰”性能時(shí)，壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”流量系數(shù)越小，模型試驗(yàn)中第一“駝峰”谷點(diǎn)流量系數(shù)越小，即“駝峰”越晚出現(xiàn)；在水泵平均流量相近時(shí)，“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”壓力系數(shù)越大，模型試驗(yàn)得到的“駝峰”裕度越大。

(3)活動(dòng)導(dǎo)葉近頂蓋區(qū)域的多種不穩(wěn)定流動(dòng)是壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”產(chǎn)生的主要原因，通過(guò)轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化可在一定程度上改善該區(qū)域的流態(tài)，但不能完全消除相應(yīng)的紊流。

(4)在“駝峰”谷點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片低壓邊近上冠側(cè)的部分流體會(huì)在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)向高壓邊下環(huán)側(cè)流動(dòng)，引起活動(dòng)導(dǎo)葉近底環(huán)區(qū)域出現(xiàn)脫流、回流、旋渦等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，該流動(dòng)特征是水泵工況出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象的內(nèi)在原因。

(5)壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”和“駝峰”谷點(diǎn)工況下，活動(dòng)導(dǎo)葉流道內(nèi)的復(fù)雜紊流嚴(yán)重堵塞了流道，降低了導(dǎo)葉的過(guò)流能力，導(dǎo)致水泵壓力系數(shù)在流量系數(shù)減小的方向上增加變緩甚至降低，故水力設(shè)計(jì)時(shí)在控制水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值的前提下，應(yīng)盡量提高水泵的壓力系數(shù)、減小壓力系數(shù)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的流量系數(shù)，從而提升水泵工況的“駝峰”性能。