高水頭水泵水輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

田中宏

（株式會(huì)社東芝，日本橫浜市 241-0826）

高水頭水泵水輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

田中宏

（株式會(huì)社東芝，日本橫浜市 241-0826）

為了提高抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益，近半個(gè)世紀(jì)以來水泵水輪機(jī)的適用水頭逐漸趨于高水頭化。在此過程中，東芝水電公司針對(duì)高水頭化出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)。本文選取其中的三方面內(nèi)容進(jìn)行研究：一是對(duì)高水頭水泵水輪機(jī)的信賴性的提高做出大貢獻(xiàn)的動(dòng)靜葉片干涉導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪振動(dòng)應(yīng)力減少的研究開發(fā)；二是在高水頭水泵水輪機(jī)水泵啟動(dòng)和調(diào)相運(yùn)行工況下，水面下壓時(shí)尾水管內(nèi)水流變動(dòng)的相關(guān)研究開發(fā)；三是為實(shí)現(xiàn)高水頭水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的效率提高和低振動(dòng)化，所做的長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的相關(guān)研究開發(fā)等。

水泵水輪機(jī)、高水頭、動(dòng)靜干涉、振動(dòng)、壓水操作、水泵啟動(dòng)、同步調(diào)相運(yùn)行、長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪

0 引言

由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司（以下簡(jiǎn)稱東芝水電公司）供貨的清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機(jī)組（參見表1）最近已經(jīng)投入運(yùn)行。在這之前，株式會(huì)社東芝作為日本聯(lián)合體的一員，對(duì)中國(guó)西龍池抽蓄電站機(jī)組（最高揚(yáng)程703m，水輪機(jī)最大功率306 MW，共4臺(tái)機(jī)組）也進(jìn)行了供貨。該機(jī)組的水泵水輪機(jī)是由東芝進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，日立根據(jù)此水力設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水泵水輪機(jī)的制造則由兩家公司分擔(dān)進(jìn)行。這次投入運(yùn)行的清遠(yuǎn)抽水蓄能電站，是東芝水電公司首次中標(biāo)并制作的高水頭抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組的順利投運(yùn)是值得慶賀的事情。高水頭水泵水輪機(jī)的揚(yáng)程，自1973年開始投運(yùn)的沼原抽水蓄能電站機(jī)組起（最高揚(yáng)程528 m、最大水輪機(jī)功率230 MW、日立制），首次突破了500m的大關(guān)。

抽水蓄能電站發(fā)電，越是高水頭小蓄水池積蓄的能量就越大，因此全世界都出現(xiàn)了使水頭越來越高的傾向。在這樣的趨勢(shì)下，如同表2所示，東芝水電公司不斷刷新著世界水泵水輪機(jī)最高揚(yáng)程的紀(jì)錄[1]。

表1 清遠(yuǎn)抽蓄電站水泵水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of pump turbine of Qingyuan power station

表2 東芝刷新的高水頭水泵水輪機(jī)的揚(yáng)程紀(jì)錄Tab.2 Record of high head pump turbine in Toshiba

迄今為止，高水頭水泵水輪機(jī)取得了很多個(gè)技術(shù)上的突破。以下就其開發(fā)過程中經(jīng)歷的部分主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行回顧。

1 動(dòng)靜葉片的干涉所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)輪振動(dòng)以及靜止部位振動(dòng)問題

繼表2的日本大平抽水蓄能電站機(jī)組之后，在1978年運(yùn)行的日本奧吉野電站機(jī)組（最高揚(yáng)程539m、水輪機(jī)最大功率207MW、見圖1）全部六臺(tái)機(jī)組中，第1期的3臺(tái)水泵水輪機(jī)在運(yùn)行1年后，發(fā)現(xiàn)各臺(tái)機(jī)組都產(chǎn)生了轉(zhuǎn)輪疲勞裂紋。水泵水輪機(jī)可適用的最高的水頭究竟是多少，這是在水泵水輪機(jī)開發(fā)初期就存在的大問題（見圖2）。因此這次的事故不禁讓人們產(chǎn)生了疑問：是不是500m就是高水頭水泵水輪機(jī)適用水頭的界限。

為了解答這個(gè)疑問，東芝水電公司對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋事故原因進(jìn)行了詳細(xì)的研究[1]，[2]，[3]。

首先，為了明確作用在原型機(jī)轉(zhuǎn)輪上的應(yīng)力，在1期工程運(yùn)行1年后，對(duì)剛剛運(yùn)行的2期工程的水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力集中部位貼上了應(yīng)變片，對(duì)原型機(jī)轉(zhuǎn)輪實(shí)際運(yùn)行的應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果是：轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的94%左右時(shí)， 轉(zhuǎn)輪發(fā)生了異常振動(dòng)，處于共振的狀態(tài)（見圖3）

在高水頭水泵水輪機(jī)中，為了承受住較大的流體力，導(dǎo)葉的厚度較厚。因此沿活動(dòng)導(dǎo)葉中心線方向的導(dǎo)葉后端跟導(dǎo)葉之間的水流相比，流速變慢（尾流速度缺失）。從原型機(jī)應(yīng)力的測(cè)定結(jié)果來看，轉(zhuǎn)輪應(yīng)力的振動(dòng)頻率是導(dǎo)葉數(shù)量20只和轉(zhuǎn)速的乘積。振動(dòng)是由于尾流的不均導(dǎo)致的激勵(lì)振蕩，也就是動(dòng)靜葉片干涉導(dǎo)致的振動(dòng)。

在滿足流力彈性相似原則的模型試驗(yàn)中，也就是和原型機(jī)用同一個(gè)材質(zhì)制作的模型轉(zhuǎn)輪，在模擬原型機(jī)實(shí)際水頭的情況下，可以再現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象[1]，[2]。據(jù)此，東芝水電公司根據(jù)圖4所示的實(shí)際水頭模型試驗(yàn)裝置，對(duì)動(dòng)靜葉片干涉導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

圖1 奧吉野抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)（單位：mm）Fig.1 Pump turbine of Okuyoshino power station

圖2 被發(fā)現(xiàn)的疲勞裂紋Fig.2 Fatigue crack was found

圖3 水輪機(jī)啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)輪實(shí)際運(yùn)行應(yīng)力的測(cè)定結(jié)果注：1. 171.4Hz=20×514/60Hz 2.161.0Hz=20×481/60=0.94×171.4HzFig.3 Results of stress measurement of runner in turbine startup process

500～700m級(jí)水泵水輪機(jī)的實(shí)際水頭模型試驗(yàn)時(shí)，如果是10分之一左右的模型，為了達(dá)到共振特性，就必須試驗(yàn)到超速，要在原型機(jī)轉(zhuǎn)速10倍以上5000～7000 r/min的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。另外在這種情況下的功率和入力要在真機(jī)的100分之一以上即5000～7000 kW。實(shí)際水頭試驗(yàn)裝置，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屯瑯映叽缢盟啓C(jī)進(jìn)行的組合以求進(jìn)行動(dòng)力回收，使用3500 kW的電動(dòng)機(jī)，可以將試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?qū)動(dòng)到7000 kW。

圖4 實(shí)際水平模型試驗(yàn)裝置Fig.4 Prototype head model test device

在這個(gè)實(shí)際水頭模型試驗(yàn)中，得到了很多新的知識(shí)。這些知識(shí)在1990召開的 IAHR 研討會(huì)上作了為特別演講進(jìn)行了發(fā)表[1]。只是這篇發(fā)表的論文并沒有被收錄到正規(guī)的論文集中，只是收錄在了一本記載特別演講的名叫《Special Book》的小冊(cè)子里，一般很難閱讀到。但是，這篇論文是世界上第一次詳細(xì)論述水泵水輪機(jī)的動(dòng)靜葉片干涉的論文。因此，為了方便大家的閱讀，2011年日本渦輪機(jī)械協(xié)會(huì)電子出版的《International Journal of Hydraulic Machinery and Systems》 再收錄了這篇文章。參考文獻(xiàn)[2]所指的就是這篇再收錄的論文。

這篇論文記載的新知識(shí)的要點(diǎn)如下。

1.1 動(dòng)靜葉片干涉的振動(dòng)頻率和模式

動(dòng)靜葉片干涉導(dǎo)致的水壓脈動(dòng)，擁有算式（1）的振動(dòng)頻率和模式。

式中：Zs——導(dǎo)葉的數(shù)量；

Zr——轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)量；

k—— 因動(dòng)靜葉片干涉而產(chǎn)生的水壓脈動(dòng)的模式所擁有的直徑節(jié)數(shù)；

n、m——任意的整數(shù)（一般n=1）。

注 水壓脈動(dòng)以如下所示模式在旋轉(zhuǎn)（見圖5），＋模式表示直徑節(jié)數(shù)的模式與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)是同方向，-模式表示直徑節(jié)數(shù)的模式與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)是反方向。

圖5 水壓脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)模式Fig.5 Rotational mode of water pressure pulsation

直徑節(jié)數(shù)的示例見圖5。

1.2 真機(jī)轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)特性

該算式的左邊第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)輪在動(dòng)靜葉片干涉所導(dǎo)致的激勵(lì)振蕩的振動(dòng)頻率fr（Hz）的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)頻N（Hz）之比。也就是轉(zhuǎn)輪以式（2）表示的振動(dòng)頻率（fr）進(jìn)行激勵(lì)振蕩。

而水壓脈動(dòng)模式，相對(duì)于轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速Nmr的算式如（3）所示。

再有，算式（1）的右邊是從靜止部位觀測(cè)到的因動(dòng)靜葉片干涉而發(fā)生的水壓脈動(dòng)時(shí)的頻率fs（Hz）與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)頻N（Hz）之比。也就是，在靜止部位可以觀測(cè)到該水壓脈動(dòng)導(dǎo)致的激勵(lì)振蕩振動(dòng)頻率的振動(dòng)，見式（4）。

而水壓脈動(dòng)的模式相對(duì)于靜止部的旋轉(zhuǎn)速度Nms的算式如式（5）所示。

在此值得注意的是，靜止部位出現(xiàn)的振動(dòng)頻率，不是一般水輪機(jī)上觀測(cè)到的葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻，而是其的整數(shù)倍。例如，導(dǎo)葉數(shù)是20只時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)是6只時(shí)，則有20-2=3×6或者20+4=4×6，即在靜止部位可以觀測(cè)到振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻的3倍以及4倍的振動(dòng)。

1.3 轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率

轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)，靜止部位之間夾雜的水，會(huì)從模式示意圖中的“+模式”部分往“-模式”部分進(jìn)行大幅度的移動(dòng)，因此，水的附加質(zhì)量效果是非常大的，這樣跟空氣中的固有頻率相比，水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的固有頻率就會(huì)明顯降低。k是較少的直徑節(jié)數(shù)時(shí)，下降的比例越大，水中固有振動(dòng)頻率下降到在空氣中的振動(dòng)頻率的一半以下時(shí)，共振的可能性就會(huì)越大。

以上詳細(xì)研究的結(jié)果表明，奧吉野電站的動(dòng)靜葉片干涉的水壓脈動(dòng)與轉(zhuǎn)輪的固有振動(dòng)頻率基本一致，導(dǎo)致了共振狀態(tài)，在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生了達(dá)到±50MPa的振動(dòng)應(yīng)力而引起了疲勞破壞的發(fā)生。從研究結(jié)果來看，只要能夠避免這樣的共振，水泵水輪機(jī)便可適用于更高水頭，這為今后700m、800m級(jí)的水泵水輪機(jī)的實(shí)用化開辟了道路。

現(xiàn)在奧吉野的轉(zhuǎn)輪，自調(diào)整了固有振動(dòng)頻率，回避了共振點(diǎn)，振動(dòng)應(yīng)力控制在最大±27MPa以來，一直安全穩(wěn)定地在運(yùn)行。

世界最高水頭的葛野川發(fā)電站的可變速水泵水輪機(jī)也已經(jīng)在2014年開始運(yùn)行，并順利投入到商業(yè)運(yùn)行。可變速機(jī)組，為了避免在所有速度變動(dòng)范圍產(chǎn)生共振，也需要對(duì)固有振動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)整。

另外，動(dòng)靜葉片干涉的水壓脈動(dòng)導(dǎo)致的共振現(xiàn)象，在導(dǎo)葉厚度較厚的高水頭水泵水輪機(jī)中，由于導(dǎo)葉尾流速度的損耗大，更容易引起共振。在導(dǎo)葉厚度較薄的低水頭水泵水輪機(jī)中也會(huì)發(fā)生，當(dāng)與式（1）中K所表示的直徑節(jié)數(shù)擁有相同模式的轉(zhuǎn)輪的固有振動(dòng)頻率與式（2）水壓脈動(dòng)導(dǎo)致的激勵(lì)振動(dòng)頻率fr一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生振動(dòng)應(yīng)力。但是在低水頭機(jī)組中，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，式（2）所示的fr大多數(shù)是低于相同模式下轉(zhuǎn)輪的固有振動(dòng)頻率，因此發(fā)生共振狀態(tài)的可能性比較低。

關(guān)于動(dòng)靜葉片干涉研究結(jié)果首次發(fā)表的論文[1]，引起了全世界廠家的關(guān)注。其他廠家在高水頭水泵水輪機(jī)方面，開始留意動(dòng)靜葉片干涉引起的振動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是也有一部分廠家，沒有考慮到轉(zhuǎn)輪的動(dòng)特性，僅僅著眼于動(dòng)靜葉片導(dǎo)致的水壓脈動(dòng)相鄰流道之間的位相差。相鄰流道的水壓脈動(dòng)的位相差接近180°時(shí)，作用于葉片上的激勵(lì)振蕩力就越大。因此設(shè)計(jì)僅著眼于這個(gè)位相差接近為0°的時(shí)候。德國(guó)的 Goldistahl發(fā)電站的水泵水輪機(jī)就是其中一例。該電站的水泵水輪機(jī)，根據(jù)上述想法，采用了導(dǎo)葉21只，轉(zhuǎn)輪葉片9只的組合方式。但是這樣一來，頂蓋就必須一體制作，導(dǎo)致運(yùn)輸尺寸變大，發(fā)電站的搬入口也必須增大，這無(wú)法說是明智的設(shè)計(jì)。

2 尾水管充氣壓水時(shí)水面的波動(dòng)及防止壓入空氣流失的措施

隨著水泵水輪機(jī)的適用水頭漸漸提高，抽水啟動(dòng)和調(diào)相運(yùn)行工況下，在尾水管內(nèi)進(jìn)行壓水時(shí)，從低水頭原型機(jī)的實(shí)際業(yè)績(jī)來看，觀測(cè)到轉(zhuǎn)輪空轉(zhuǎn)入力比僅考慮轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)輪直徑而推定的值要大。另外，為了保持尾水管內(nèi)的下壓水位，必須增加壓縮空氣的補(bǔ)給量。

被下壓的水面，轉(zhuǎn)輪攪拌致使空氣強(qiáng)烈的回轉(zhuǎn)，浪打的也比較大。由于空轉(zhuǎn)軸入力的增加，使水面的波動(dòng)更大。推測(cè)一部分水面可能對(duì)空轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生了干涉。為了避免這一點(diǎn)，壓低水位需要更低。

另一方面，壓水用的空氣消耗是由于水面的波動(dòng)使水中的氣泡增加，氣泡的一部分流向尾水管的下流而導(dǎo)致的。因此，為了減少軸入力，需再壓低水位，這樣一來從尾水管下側(cè)逃逸出來的氣泡就會(huì)增加，壓低空氣的消耗量也會(huì)增加。

為了查明高水頭機(jī)組發(fā)生的這些不良問題，制作了如圖6所示的試驗(yàn)設(shè)備。壓水時(shí)，針對(duì)軸入力和氣泡的流出量，研究了轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速、下壓水位及壓入空氣量的壓力影響[4]，[5]。

這個(gè)試驗(yàn)裝置可以將尾水壓力施加到高水頭水泵水輪機(jī)真機(jī)同等以上的1.4MPa（壓水深度相當(dāng)于140m）。從這個(gè)研究中，明確了以下信息。

（1）下壓狀態(tài)的水面波動(dòng)因尾水壓力而受到很大的影響。

（2）低水頭水泵水輪機(jī)尾水下壓的情況下，水面會(huì)出現(xiàn)跟轉(zhuǎn)輪同方向運(yùn)轉(zhuǎn)的晃蕩運(yùn)動(dòng)。此時(shí)的水面晃蕩轉(zhuǎn)速是晃蕩運(yùn)動(dòng)固有的振動(dòng)頻率，不受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的影響。但是晃蕩運(yùn)動(dòng)波峰值隨著轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加而增加。而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，水波頂被強(qiáng)烈的空氣對(duì)流吹散，小水滴大量的飄浮在空氣中，這些小水滴因第二次強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，被吸入轉(zhuǎn)輪，從而造成了空轉(zhuǎn)軸入力的增加。

圖6 和原型機(jī)尾水壓同等壓力下的可試驗(yàn)壓水試驗(yàn)裝置Fig.6 The water pressure test device under the same tail water pressure of the prototype

（3）一旦形成這種狀態(tài)，水波被吹散造成水面激烈的擾動(dòng)，從而在水中產(chǎn)生了大量的非常小的氣泡。壓水產(chǎn)生的緩慢的二次水流將這些氣泡送入尾水管下流，導(dǎo)致了壓水用空氣流失量的增加（見圖7）。

（4）在高水頭水泵水輪機(jī)高尾水壓的情況下，隨著尾水壓的增加，與低水頭機(jī)組轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)水面的晃動(dòng)狀態(tài)是一樣的。但隨著尾水壓的增加，壓低空氣的密度增加，如同在風(fēng)速很快的空氣對(duì)流中一樣，給水面帶來了強(qiáng)烈的干涉作用。

從以上的試驗(yàn)結(jié)果來看，世界上首次明確了高尾水壓時(shí)水面的波動(dòng)，需要考慮到空氣的密度，依存于密度修正弗勞德數(shù)（Froude number）而變化[4]。

密度修正弗勞德數(shù)：

式中：Fd——密度修正弗勞德數(shù)；

U2——轉(zhuǎn)輪出口的周速度，m/s；

D2——轉(zhuǎn)輪出口直徑，m；

ρa(bǔ)——壓低空氣的密度，kg/m3；

ρw——水的密度，kg/m3；

N——轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，r/min。

圖7 尾水壓力對(duì)下壓狀態(tài)水面波動(dòng)的影響Fig.7 Water surface fluctuation is affected by the tail water pressure

由上式可知，如果水泵水輪機(jī)下池的吸出高度為100m時(shí)，ρa(bǔ)基本變?yōu)?0倍，水面干擾相當(dāng)于轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速在以大氣壓下約3倍的速度進(jìn)行回轉(zhuǎn)。因此，水面的下壓水位要考慮這樣的影響。

針對(duì)某個(gè)尾水管進(jìn)行的模型試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。這個(gè)尾水管，當(dāng)吸出高度為130m，下壓水位設(shè)定在0.4m時(shí)，空轉(zhuǎn)力矩就會(huì)變小。且壓入空氣的流失量也會(huì)稍微得到抑制。但是如果吸出高度超過140m時(shí)，空轉(zhuǎn)力矩、壓縮空氣流失量就會(huì)增加。電站是無(wú)法采用這樣的吸出高程深度的。

根據(jù)這個(gè)結(jié)果，對(duì)尾水管的形狀進(jìn)行了改良，針對(duì)吸出高度大且轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速高的高水頭水泵水輪機(jī)，開發(fā)了水面下壓時(shí)空轉(zhuǎn)軸入力和壓縮空氣流失量較少的尾水管。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)應(yīng)用了這個(gè)研究成果。

圖8 尾水管壓力變化時(shí)的空轉(zhuǎn)力矩和空氣流失量的變化Fig.8 The change of torque and air loss when the tail water pressure change

3 長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的特性改善

20世紀(jì)90年代中期，混流式水輪機(jī)開始研究長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，也就是在傳統(tǒng)的長(zhǎng)葉片之間，在圓周方向相互交替配置短葉片。長(zhǎng)短葉片的布置使部分負(fù)荷時(shí)的二次流得到抑制，使部分負(fù)荷效率提高和水壓脈動(dòng)減小。但是在水泵水輪機(jī)中采用長(zhǎng)短葉片的轉(zhuǎn)輪就比較晚了。這是由于水泵水輪機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)輪要進(jìn)行發(fā)電和抽水兩種工況，跟常規(guī)混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪相比問題更復(fù)雜了。

東芝水電公司從20世紀(jì)90年代后期著手于長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的開發(fā)。在開發(fā)的時(shí)候，首先運(yùn)用CFD詳細(xì)地探討在長(zhǎng)短葉片入口角變化的情況下，長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪上發(fā)生的空化等情況，再?zèng)Q定長(zhǎng)短葉片形狀[6]，[7]，[8]。

應(yīng)用了上述研究而設(shè)計(jì)的神流川發(fā)電站所采用的長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪跟以往的7葉片轉(zhuǎn)輪相比，有以下優(yōu)異的特性。

3.1 提高了水輪機(jī)及水泵的效率

圖9反映了用于神流川電站而設(shè)計(jì)的長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪（長(zhǎng)葉片5枚+短葉片5枚）和同樣用于神流電站而設(shè)計(jì)的常規(guī)7葉片轉(zhuǎn)輪的特性比較（將常規(guī)7葉片轉(zhuǎn)輪的最高效率1作為相對(duì)效率表示）。

葉片的整流作用非常強(qiáng)，能防止二次流帶來的損失。這些帶來的損耗改善，不僅抵消了因采用多葉片導(dǎo)致葉片表面摩擦損失的增加，也使效率有了增加。另外，長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪和多葉片轉(zhuǎn)輪一樣，能夠在水泵運(yùn)行時(shí)，使水泵出口滑移量（葉片角度和實(shí)際流出角度的差）減小。因此即使轉(zhuǎn)輪的直徑變小，也可達(dá)到所要的水泵揚(yáng)程。

另一方面，這樣比轉(zhuǎn)速小的高水頭水泵水輪機(jī)，因上冠、下環(huán)外表面和水的摩擦所產(chǎn)生的圓盤摩擦損失到達(dá)3%，圓盤摩擦損失在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速一定的情況下，是上冠和下環(huán)直徑的5次方的比例。因此隨著滑移量的減小，轉(zhuǎn)輪直徑可縮小2%時(shí)，圓盤摩擦損失可減少10%，效率可提高0.3%。綜上所速，整體上可實(shí)現(xiàn)效率提高1%～2%[8]。

3.2 水輪機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的水壓脈動(dòng)減小

通常，水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾水管內(nèi)產(chǎn)生回旋流，因此水流不穩(wěn)定，易產(chǎn)生較大的水壓脈動(dòng)。長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪中，跟一般葉片數(shù)比較少的轉(zhuǎn)輪相比，水流的整流作用比較強(qiáng)，可減少部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水流的不穩(wěn)定。

圖9 神流川水泵水輪機(jī)特性的比較[8]Fig.9 Comparison of characteristics of Kannagawa pump turbine

圖10反映了，以神流川和同樣高水頭的葛野川發(fā)電站的7葉片水泵水輪機(jī)為例，與神流川長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪在水輪機(jī)工況運(yùn)行時(shí)尾水管水壓脈動(dòng)的比較情況。長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的水壓脈動(dòng)大約減小了一半。

3.3 降低了轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)應(yīng)力

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)采用的是和神流川抽水蓄能發(fā)電站一樣的5只長(zhǎng)葉片、5只短葉片的轉(zhuǎn)輪，這在動(dòng)靜葉片干涉中就相當(dāng)于10只葉片。神流川和清遠(yuǎn)機(jī)組中，導(dǎo)葉是16只，根據(jù)在本文開頭講動(dòng)靜葉片干涉公式式（1），引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng)的是-6直徑節(jié)數(shù)和+4直徑節(jié)數(shù)模式。10只葉片的轉(zhuǎn)輪的直徑節(jié)數(shù)下很多模式的固有振動(dòng)頻率是非常高的。圖11所示的神流川長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪模型在實(shí)際水頭模型試驗(yàn)中的結(jié)果，也表明了在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)并沒有發(fā)生與固有振動(dòng)頻率共振的現(xiàn)象，固有振動(dòng)頻率比發(fā)生的速度范圍應(yīng)高得多。

清遠(yuǎn)與神流川相比水頭要低一些，與清遠(yuǎn)額定轉(zhuǎn)速一樣的模型轉(zhuǎn)速也低于圖11所表示的神流川額定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)應(yīng)力控制在非常低的安全值。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，在高水頭水泵水輪機(jī)的研究開發(fā)領(lǐng)域，對(duì)東芝水電公司領(lǐng)先世界進(jìn)行的幾個(gè)項(xiàng)目的研究情況進(jìn)行了說明。這次順利投運(yùn)的清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)，是應(yīng)用了這些研究成果并進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)物[9]，[10]。

為了提高抽水蓄能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行了本文所述的研究。近幾年，能夠更進(jìn)一步提高抽水蓄能發(fā)電性能的可變速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)在逐漸擴(kuò)大。

圖10 水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)尾水管的水壓脈動(dòng)（額定水頭）[8]Fig.10 Pressure fluctuation of the draft tube in the running of turbine （Normal Head）[8]

圖11 神流川的長(zhǎng)短片轉(zhuǎn)輪和其他轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)特性的比較[6]Fig.11 Comparison of vibration characteristics of Kanagawa splitter runner and the other runner[6]

可變速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，跟以往的定速機(jī)相比可在更大的出力范圍內(nèi)進(jìn)行發(fā)電運(yùn)行，而且抽水運(yùn)行的軸入力，在一定程度上可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，以往的定速抽水發(fā)電機(jī)，因系統(tǒng)事故等發(fā)生電力動(dòng)搖時(shí)，只能增減無(wú)效的電力來抑制電壓變動(dòng)。與此相比，在可變速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)生系統(tǒng)的電力動(dòng)搖時(shí)，能夠馬上改變轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能量作為有效電力進(jìn)行釋放或吸收。因此，在抑制系統(tǒng)的電力動(dòng)搖方面，可變速抽水發(fā)電機(jī)發(fā)揮了其巨大的優(yōu)越性能。

近期的電力事業(yè)，不僅僅是按需提供電力，也在追求提高電力的品質(zhì)。因此，采用合適的控制系統(tǒng)來防止電壓的變動(dòng)，并且防止隨著突然的需求變動(dòng)而改變發(fā)電量以導(dǎo)致頻率的變動(dòng)是非常重要的。針對(duì)這些要求，容易進(jìn)行功率調(diào)整的抽水蓄能發(fā)電發(fā)揮了很大的作用。特別是不到1s就能以數(shù)萬(wàn)kW的速度對(duì)功率和軸入力的變化進(jìn)行調(diào)整的可變速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，大大地推動(dòng)了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。

在不久的將來，中國(guó)計(jì)劃建造多座核能發(fā)電站。隨著核能比例提高，夜間發(fā)電的大部分將由核能提供。對(duì)于變動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電等，可以預(yù)想到會(huì)發(fā)生頻率調(diào)整能力不足的情況。可變速抽水蓄能發(fā)電因其可改變速度，所以可調(diào)節(jié)抽水工況下的軸入力。在這種情況下，可增強(qiáng)頻率調(diào)整的能力。

因此，今后在中國(guó)不僅僅是高水頭的抽水蓄能發(fā)電，可變速抽水蓄能發(fā)電的發(fā)展也令人期待。株式會(huì)社東芝在高水頭抽水蓄能發(fā)電和可變速抽水蓄能發(fā)電領(lǐng)域，擁有世界上最先進(jìn)的技術(shù)和業(yè)績(jī)。希望今后能為中國(guó)抽水蓄能發(fā)電的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

[1] H. Tanaka.Vibration Behavior and Dynamic Stress of Runners of Very High Head Reversible Pump-turbines[C]// Special Book，U2， IAHR Symposium- Beograd 1990.

[2] H. Tanaka.Vibration Behavior and Dynamic Stress of Runners of Very High Head Reversible Pump-turbines[J]. International Journal of Fluid Machinery and Systems， April-June 2011，4（2）.

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[9] 陳泓宇，汪志強(qiáng)，李華，程振宇. 清遠(yuǎn)抽水蓄能電站三臺(tái)機(jī)組同甩負(fù)荷試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]，水電與抽水蓄能，2016，2（5）.CHEN Hongyu，WANG Zhiqiang，LI Hua，CHENG Zhenyu. Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]， Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）.

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Key Technology Development of High Head Pump Turbine

HIROSHI Tanaka
(Toshiba Co., Ltd. Yokohama 241-0826, Japan)

In order to improve the economic benefit of pumped storage power station， the applied head of pump turbine has been gradually tending to the high water head nearly half a century. The various problems caused by high water head was developed by Toshiba during this progress. This article covers three study out of them （1） The study on vibration stress reduction of runner caused by Rotor-Stator Interaction， which made a big contribution on reliability improvement of high water head pump-turbine.（2）Under the pump start and synchronous condenser operation conditions of high water head pump turbine， the relevant study on water flow changes in the draft tube while water surface pushing down.（3）The relevant study and development on splitter blade runner， in order to achieve efficiency improvement and lower vibration of high water head pump turbine runner.

pump-turbine， high head， rotor-stator interaction，vibration， dewatered operation， pump start， synchronous condenser operation， splitter blade runner

TV734.1

A

570.30

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.007

2016-10-23

2016-12-23

田中宏（1933—），男，日本橫浜人，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）原委員、國(guó)際水電協(xié)會(huì)（IHA）原理事、國(guó)際水電協(xié)會(huì)抽水蓄能發(fā)電常設(shè)委員會(huì)原委員長(zhǎng)、日本轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械協(xié)會(huì)原副會(huì)長(zhǎng)、日本機(jī)械學(xué)會(huì)原理事、日本可視化情報(bào)學(xué)會(huì)原會(huì)長(zhǎng)、東芝集團(tuán)能源事業(yè)本部首席技術(shù)總監(jiān)。在20世紀(jì)90年代主持了世界第一的600米級(jí)以及700米級(jí)的水泵水輪機(jī)等高水頭大容量水泵水輪機(jī)等創(chuàng)紀(jì)錄產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作。主要研究方向：水泵水輪機(jī)和大容量水輪機(jī)的開發(fā)研究、設(shè)計(jì)和制造工作。