水輪機(jī)制動(dòng)區(qū)流動(dòng)特性分析*

陳國(guó)玉，顧秉棟，李 源，林 旭

（青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810017）

水泵水輪機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪直徑較大，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中離心作用較大；當(dāng)水輪機(jī)處于工況運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，受水流慣性驅(qū)動(dòng)影響，進(jìn)流速度會(huì)呈現(xiàn)快速下降狀態(tài)，一旦其自身轉(zhuǎn)速大于飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)，水輪機(jī)將進(jìn)入制動(dòng)工況，流量發(fā)生極大變化；如果慣性不降反升，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行離心作用會(huì)將水流向反方向推出，進(jìn)入反水泵工況。對(duì)水輪機(jī)制動(dòng)區(qū)流動(dòng)特性的把握，有助于降低水輪機(jī)發(fā)生不穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題的概率，同時(shí)對(duì)其設(shè)計(jì)優(yōu)化也具有一定的指導(dǎo)意義。

1 水泵水輪機(jī)的概念和基本工作原理

1.1 水泵水輪機(jī)的概念

可以在發(fā)電和抽水兩個(gè)方向上進(jìn)行雙向運(yùn)行的水利機(jī)組，就是通常所稱的可逆性質(zhì)水泵水輪機(jī)。這種性質(zhì)的水輪機(jī)是當(dāng)前抽水蓄能電站的關(guān)鍵設(shè)施，對(duì)維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用；可逆水泵水輪機(jī)因高效、靈活及經(jīng)濟(jì)等特性，在抽水蓄能電站中得到普遍應(yīng)用。除了可逆水泵水輪機(jī)之外，水泵水輪機(jī)還包括了混流、軸流、斜流以及慣流等4種類型，而這4種類型中，混流性質(zhì)的水泵水輪機(jī)因適用范圍較廣，在抽水蓄能電站中的普及應(yīng)用也較為廣泛。水輪機(jī)由渦殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管5部分組成，當(dāng)水泵水輪機(jī)處于發(fā)電工況下，水流從渦殼流入，經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪后，由尾水管流出。其中的轉(zhuǎn)輪就是水泵水輪機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)部分，由上冠、轉(zhuǎn)輪葉片以及下環(huán)3部分組成，且轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向會(huì)隨著運(yùn)行方式的變化出現(xiàn)相應(yīng)的變化[1]。目前水泵水輪機(jī)的主要發(fā)展方向是高水頭及大容量；為了更好地滿足實(shí)際需求，可變速技術(shù)也開始被應(yīng)用到水泵水輪機(jī)中。

1.2 水輪發(fā)電機(jī)的基本工作原理

抽水蓄能電站的上游大壩蓄水后，水就帶有勢(shì)能，這些具有壓力的水經(jīng)過(guò)攔污柵、進(jìn)水口的檢修閘門、工作閘門后進(jìn)入渦殼中，形成初步的環(huán)流，經(jīng)過(guò)座環(huán)固定性質(zhì)的導(dǎo)葉分流，使其均勻地進(jìn)入到活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)部，還可通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度的大小控制水流量，使轉(zhuǎn)輪在水自身壓力及速度下進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)工作，將水的勢(shì)能及動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，隨后通過(guò)尾水管將這些水分排放至下游[2]。

2 水輪機(jī)制動(dòng)區(qū)內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定產(chǎn)生的問(wèn)題

1）渦和旋轉(zhuǎn)失速問(wèn)題。由于電力系統(tǒng)自身的負(fù)荷變化速度相對(duì)較快，因此，水泵水輪機(jī)在不同運(yùn)行工況之間的轉(zhuǎn)換較為頻繁，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)穩(wěn)定性的問(wèn)題，比較常見的有較為強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)擺動(dòng)甚至部件斷裂等，這些問(wèn)題在水泵水輪機(jī)處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行狀態(tài)下表現(xiàn)得尤為顯著，當(dāng)然這些問(wèn)題的產(chǎn)生和水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和其引發(fā)的水激力也有一定的關(guān)聯(lián)。

當(dāng)數(shù)量龐大的流體粒子圍繞某一個(gè)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的渦結(jié)構(gòu)，當(dāng)流量較小時(shí)，流體本身產(chǎn)生的慣性也相對(duì)較小，水流和葉片發(fā)生碰撞后，會(huì)在水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片處形成一個(gè)相應(yīng)的流動(dòng)分離現(xiàn)象，導(dǎo)致渦的生成。旋轉(zhuǎn)失速在混流性的水泵水輪機(jī)中較為常見，且這個(gè)旋轉(zhuǎn)失速基本維持在整體轉(zhuǎn)輪實(shí)際旋轉(zhuǎn)速的50%～70%之間，一旦旋轉(zhuǎn)失速發(fā)育成熟，就會(huì)帶來(lái)一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)，并且還會(huì)向上游進(jìn)行傳播，在進(jìn)入無(wú)葉區(qū)以及導(dǎo)葉區(qū)時(shí)同樣也會(huì)在這些區(qū)域內(nèi)部引發(fā)渦的誕生[3]。在渦及旋轉(zhuǎn)失速問(wèn)題不斷產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化以及傳播的過(guò)程中就會(huì)引發(fā)諸如噪音過(guò)大、震動(dòng)過(guò)度及機(jī)械疲勞等問(wèn)題，一旦處于極端工況狀態(tài)下，甚至有可能對(duì)整個(gè)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅。

2）水流帶來(lái)相應(yīng)的作用力。水泵水輪機(jī)自身所接收到的激振力主要可分為水激力、機(jī)械力以及電磁力3個(gè)部分。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量相對(duì)較少，且處于較快的旋轉(zhuǎn)速度下，加之經(jīng)常在高水頭上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致在非設(shè)計(jì)工況下壁面會(huì)因受到較為復(fù)雜的流體作用而產(chǎn)生較為強(qiáng)大的水激力。水激力的存在往往會(huì)使水泵水輪機(jī)整體出現(xiàn)受力不均衡的問(wèn)題，也就是所謂的抬機(jī)現(xiàn)象，同時(shí)還極有可能引發(fā)內(nèi)部軸承及迷宮環(huán)等機(jī)組部件損壞的問(wèn)題[4]。例如，浙江安吉天荒坪電站轉(zhuǎn)輪就是因?yàn)槠鋬?nèi)部的水激力過(guò)大導(dǎo)致水輪機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)部件出現(xiàn)經(jīng)常性抬起問(wèn)題，加重了機(jī)組內(nèi)部的磨損程度導(dǎo)致發(fā)生意外停機(jī)的概率增加。

3）回流問(wèn)題。該回流問(wèn)題是指水流的流動(dòng)方向和正常狀態(tài)下的水流方向完全相反的問(wèn)題。當(dāng)處于非設(shè)計(jì)工況時(shí)，轉(zhuǎn)輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)會(huì)變得較為復(fù)雜，也就是說(shuō)在逐漸偏離主流方向的同時(shí)會(huì)帶來(lái)極為明顯的回流現(xiàn)象。還需要注意的一點(diǎn)就是回流問(wèn)題的產(chǎn)生往往伴隨著渦和旋轉(zhuǎn)失速問(wèn)題的形成，回流問(wèn)題會(huì)加劇流道內(nèi)部流量的下降程度。

3 制動(dòng)工況活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)湍流流動(dòng)特性分析

1）流動(dòng)的具體規(guī)律分析?；顒?dòng)導(dǎo)葉處于開度相對(duì)較小的制動(dòng)工況狀態(tài)時(shí)，會(huì)受到固定導(dǎo)葉自身開度的影響，水流本身的流動(dòng)方向和活動(dòng)導(dǎo)葉的進(jìn)口邊會(huì)產(chǎn)生較大的沖角，進(jìn)口的頭部就會(huì)出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，導(dǎo)致渦量較小的渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，此時(shí)渦量基本維持在200 s-1，此種渦會(huì)沿著導(dǎo)葉背面的流面逐步發(fā)展。同時(shí)在導(dǎo)葉迎流面的尾部邊緣處也會(huì)存在一層薄湍激流，會(huì)向著水流的流動(dòng)方向延伸。在活動(dòng)導(dǎo)葉上出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題的主要原因是尾部渦系形態(tài)以及能量轉(zhuǎn)化，渦系在導(dǎo)葉穩(wěn)步的邊緣部分分離之后，會(huì)在不遠(yuǎn)處的下游中達(dá)到渦量的最大值，并由此形成渦團(tuán)中心，其最大值可達(dá)900 s-1，是進(jìn)口處的4.5倍[5]。與此同時(shí)，在相鄰導(dǎo)葉背面尾部也會(huì)形成渦團(tuán)中心，會(huì)和尾部較強(qiáng)渦區(qū)融合?；顒?dòng)導(dǎo)葉尾跡的流動(dòng)形態(tài)基本和圓柱繞流尾跡相似，當(dāng)達(dá)到一定的雷諾數(shù)后就發(fā)展成為卡門渦街。而卡門渦街的共振現(xiàn)象將導(dǎo)致整體機(jī)組出現(xiàn)噪聲過(guò)大等問(wèn)題。此外尾跡的渦系結(jié)構(gòu)中往往包含著相應(yīng)的主體以及次生一級(jí)的渦結(jié)構(gòu)，且二者之間還存在合并分離作用，在能量傳遞轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)將部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎鹪?，這就是水力振動(dòng)出現(xiàn)的原因。渦系結(jié)構(gòu)最初是在導(dǎo)葉背面的頭部和中部位置產(chǎn)生，并逐漸向尾部延伸，渦量總體呈現(xiàn)出對(duì)稱分布的特點(diǎn)，導(dǎo)葉內(nèi)部的上下兩側(cè)和壁面接觸部分會(huì)因水流帶來(lái)的較為強(qiáng)大的沖擊力而加大渦量，進(jìn)一步說(shuō)明了活動(dòng)導(dǎo)葉背面附近的水流流動(dòng)較為紊亂的原因。

2）渦量的分布情況分析。在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉的出口處至活動(dòng)導(dǎo)葉的進(jìn)口處一直存在明顯的漩渦和回流問(wèn)題。目前針對(duì)單個(gè)導(dǎo)葉表面的流線研究已經(jīng)能很好地將位于活動(dòng)導(dǎo)葉頭部的流動(dòng)分流情況予以詳細(xì)說(shuō)明[6]。若在導(dǎo)葉頭部的迎流一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)流動(dòng)駐點(diǎn)，說(shuō)明水流在這個(gè)部位會(huì)劃分為兩個(gè)相反方向的水流，且會(huì)從相臨近的兩個(gè)導(dǎo)葉處流入轉(zhuǎn)輪之中。正常情況下，水流在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中會(huì)因?yàn)闆_擊到固體壁面而引發(fā)相應(yīng)的沖擊損失。同時(shí)水流對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的沖擊作用也會(huì)對(duì)導(dǎo)葉擺動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性造成一定程度的影響。

3）導(dǎo)葉面的壓力分布情況。在正常情況下，活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)水面上往往帶有較強(qiáng)的壓力，平均壓力基本維持在230 kPa左右，水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉后的壓力分布是一種梯度性質(zhì)的遞減變化，由于受相鄰導(dǎo)葉頭部壓力較高的影響，在導(dǎo)葉的中后部壓力會(huì)有所降低，隨后又會(huì)出現(xiàn)一種逐漸上升的趨勢(shì)，此時(shí)壓力往往會(huì)從180 kPa左右瞬間上升到223 kPa左右。渦殼及固定導(dǎo)葉內(nèi)部形成的速度較低的旋流會(huì)在經(jīng)過(guò)活動(dòng)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)變?yōu)樾佥^快的環(huán)流，在這個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的能量損失會(huì)導(dǎo)致在轉(zhuǎn)化水流能量的過(guò)程中出現(xiàn)不穩(wěn)定問(wèn)題，繼而引發(fā)極為強(qiáng)烈的振動(dòng)問(wèn)題[7]。

4）轉(zhuǎn)輪葉片展開面速度矢量變化特性分析。轉(zhuǎn)輪葉片展開面速度會(huì)隨著流量的變化而變化。當(dāng)水輪機(jī)處于制動(dòng)工況零流量時(shí)，葉片間的進(jìn)口處會(huì)存在著較大的回流性質(zhì)的渦結(jié)構(gòu)，這個(gè)回流性質(zhì)的渦結(jié)構(gòu)會(huì)在流量逐步增大的情形下逐漸向葉片出口方向移動(dòng)并最終消失。在水流量逐漸增加的情形下，當(dāng)水泵處于零力矩狀況時(shí)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部不會(huì)有回流性質(zhì)渦結(jié)構(gòu)的存在。水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪部分中的葉片屬于前傾式性質(zhì)的葉片，在水輪機(jī)制動(dòng)工況接近零流量時(shí)，導(dǎo)葉內(nèi)部緩慢流動(dòng)的水會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而被帶入到高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中，這個(gè)階段中的動(dòng)能變化十分巨大，渦殼及導(dǎo)葉內(nèi)部產(chǎn)生的低速旋流在經(jīng)過(guò)活動(dòng)導(dǎo)葉出口及轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口處的環(huán)流后會(huì)陡然間變成一個(gè)流速較快的流動(dòng)環(huán)流[8]。由于這個(gè)速度較快的高速環(huán)流自身的流向和轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口存在著一個(gè)較大的沖角，從而導(dǎo)致在葉片間會(huì)產(chǎn)生射流現(xiàn)象，這個(gè)高速射流的存在使得在葉片進(jìn)口處產(chǎn)生了一個(gè)低壓區(qū)，一旦勢(shì)能超過(guò)流體的動(dòng)能，就會(huì)導(dǎo)致葉片進(jìn)口附近流體產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度較大的渦結(jié)構(gòu)，且這個(gè)渦結(jié)構(gòu)會(huì)在流量不斷提升的情形之下，使轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的失速現(xiàn)象在向著入口快速移動(dòng)的過(guò)程中逐步下降直至消失。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水輪機(jī)制動(dòng)區(qū)的流動(dòng)特性對(duì)于水輪機(jī)的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行有著極為關(guān)鍵的影響，本文針對(duì)其中的流動(dòng)規(guī)律、渦量的分布情況、導(dǎo)葉面的壓力分布及轉(zhuǎn)輪葉片展開面速度矢量變化特性進(jìn)行了深入分析，希望為水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的幫助。