哈電混流式水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)及進(jìn)展

王煥茂，覃大清，魏顯著，趙 越，陳元林

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

1 前言

近期，我國(guó)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(yùn)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(jī)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(jìn)一步提高有很大的難度。低比轉(zhuǎn)速的水泵水輪機(jī)，由于轉(zhuǎn)輪直徑大，圓盤(pán)損失很大，一般占3%～4%；同時(shí)較高的流速也引起了葉片高強(qiáng)度的空化問(wèn)題和強(qiáng)烈的動(dòng)靜干涉現(xiàn)象，從而給電站機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了很多問(wèn)題。

相對(duì)于常規(guī)7葉片和9葉片的水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪具有以下優(yōu)勢(shì)：長(zhǎng)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(yáng)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(jī)直徑可以選的更小些；對(duì)水泵水輪機(jī)而言，較小的真機(jī)直徑可以大大減小轉(zhuǎn)輪的圓盤(pán)摩擦損失，使得真機(jī)的效率得到有效提高；對(duì)于水泵工況，較大流量揚(yáng)程曲線斜率會(huì)大大減小水泵運(yùn)行流量范圍，從而大大提高水泵工況的空化性能；對(duì)水輪機(jī)工況來(lái)說(shuō)，較小的真機(jī)直徑會(huì)使水輪機(jī)工況運(yùn)行范圍向最優(yōu)效率點(diǎn)移動(dòng)，有利于水輪機(jī)工況加權(quán)效率的提高，同時(shí)也使得水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)得到有效降低；較小的真機(jī)直徑可以有效提高水泵水輪機(jī)“S”區(qū)安全余量，從而提高過(guò)渡過(guò)程工況運(yùn)行穩(wěn)定性。

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“哈電”）從2009年開(kāi)始，進(jìn)行了混流式水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)，經(jīng)過(guò)多個(gè)水頭段長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的研發(fā)，取得了重要進(jìn)展，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混流式水泵水輪機(jī)長(zhǎng)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(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)

2.1 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

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

表1 電站設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)該電站設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行了4個(gè)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪方案的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，各方案水泵水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)如表2所示。

表2 長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)

2.2 水力優(yōu)化設(shè)計(jì)

CFD數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)展使得水力機(jī)械性能的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，對(duì)長(zhǎng)短葉片水泵水輪機(jī)的水力研發(fā)來(lái)說(shuō)，可以更為容易地對(duì)長(zhǎng)短葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到更好的水力性能。圖1為用于長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的網(wǎng)格域。

各計(jì)算域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)的分配，如表3所示。

圖1 長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的網(wǎng)格域

表3 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分配

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

在本電站水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)中，難點(diǎn)在于電站對(duì)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(jī)工況加權(quán)點(diǎn)權(quán)值分布偏向部分負(fù)荷，對(duì)加權(quán)效率要求較高，需要進(jìn)一步提高水輪機(jī)工況能量性能；同時(shí)該電站也對(duì)水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)水平提出了較高的要求。該電站對(duì)長(zhǎng)短葉片水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。

圖2～圖5為不同方案長(zhǎng)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(duì)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(gè)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(gè)方案空化性能相當(dāng)；而在圖5 水輪機(jī)最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速效率曲線的比較中，方案2的高效運(yùn)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(jì)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(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

2.3 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)在哈電高水頭試驗(yàn)4臺(tái)進(jìn)行，該臺(tái)試驗(yàn)最高水頭80m，試驗(yàn)流量范圍0～0.8 m3/s，水力試驗(yàn)4臺(tái)的試驗(yàn)?zāi)芰?、可安裝的模型的尺寸、水力性能的測(cè)試方法及試驗(yàn)用水均符合IEC和GB有關(guān)規(guī)程的要求，試驗(yàn)臺(tái)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(jī)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(yàn)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(yàn)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(duì)應(yīng)的最小流量也遠(yuǎn)大于方案2的，方案4的優(yōu)化設(shè)計(jì)更好地滿(mǎn)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??；如圖9所示，方案4與方案2的水泵空化性能相當(dāng)；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(jī)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(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值比方案2有了大幅降低；方案4水輪機(jī)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(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)中，通過(guò)設(shè)計(jì)理念及方法的創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)多輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)研究，水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)取得了重要進(jìn)展，從而為后續(xù)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)的深入進(jìn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖8 不同方案水泵工況功率模型試驗(yàn)曲線

圖9 水泵工況空化比較曲線

圖10 水輪機(jī)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(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)比較曲線

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

3.1 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

在400～500m水頭段水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪研發(fā)取得重要進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對(duì)600～700m超高水頭、大容量水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)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(jì)參數(shù)

在該電站水泵水輪機(jī)水力研發(fā)中，進(jìn)行了不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括7葉片轉(zhuǎn)輪、9葉片轉(zhuǎn)輪、5長(zhǎng)5短葉片轉(zhuǎn)輪和6長(zhǎng)6短葉片轉(zhuǎn)輪，所有的轉(zhuǎn)輪均具有良好的性能，都滿(mǎn)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(yáng)程與水輪機(jī)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(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)保證變得相對(duì)困難，同時(shí)也給“S”區(qū)安全裕度保證帶來(lái)了不小的難度。在該項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的不同葉片數(shù)的水泵水輪機(jī)能量性能均能滿(mǎn)足電站要求，下面著重對(duì)不同葉片數(shù)水泵水輪機(jī)的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)特性和“S”特性進(jìn)行比較和說(shuō)明。

3.2 模型試驗(yàn)結(jié)果

各轉(zhuǎn)輪的模型試驗(yàn)在哈電高水頭試驗(yàn)6臺(tái)進(jìn)行，該臺(tái)試驗(yàn)最高水頭100m，試驗(yàn)流量范圍0～1m3/s，試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)和“S”特性的模型試驗(yàn)結(jié)果。圖12為不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的比較；圖13為水輪機(jī)工況額定水頭下無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的比較；圖14為不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪方案“S”區(qū)臨界開(kāi)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(kāi)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(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值隨之降低，長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪在降低水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值上具有明顯的優(yōu)勢(shì)；由圖14可以看出，設(shè)計(jì)合理的水泵水輪機(jī)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(yàn)中，還可借助頻譜分析對(duì)水泵水輪機(jī)各特征工況、特定位置壓力脈動(dòng)的頻率進(jìn)行深入分析，但是水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)頻率與電站固有頻率的關(guān)系還需要進(jìn)行認(rèn)真研究。

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

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

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

通過(guò)該水頭段水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)，哈電長(zhǎng)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(jī)水力研發(fā)中，首創(chuàng)了6長(zhǎng)6短葉片水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，并用于項(xiàng)目投標(biāo)，通過(guò)中立的三方試驗(yàn)臺(tái)同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，表明該水泵水輪機(jī)性能完全滿(mǎn)足項(xiàng)目招標(biāo)要求。

4 結(jié)論及展望

（1）經(jīng)過(guò)多個(gè)水頭段水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的水力研發(fā)，取得了重要進(jìn)展，形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混流式水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水力研發(fā)技術(shù)；

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

（3）長(zhǎng)短葉片的水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)常規(guī)葉片有較大降低，但壓力脈動(dòng)頻率與電站固有頻率的關(guān)系還需要進(jìn)行認(rèn)真研究。

文中符號(hào)及公式的說(shuō)明：

ψ：壓力系數(shù)，

P：功率，MW；

Qp：原型機(jī)流量，m3/s；

NPSHp：原型機(jī)凈正吸入水頭，m；

Q11：?jiǎn)挝涣髁浚?/p>

η/ηBEP：相對(duì)效率 ；

ΔH/H：壓力脈動(dòng)幅值，%；

N11：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)速，

T11：?jiǎn)挝涣兀?/p>