發(fā)電轉(zhuǎn)速對(duì)劉老澗抽水站泵裝置運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

戴景　蔣濤　劉雪芹　黃從兵　卜舸　仲子夜　許鋒　戴啟璠

摘要：為了研究帶有簸箕型流道的立式軸流泵裝置反向發(fā)電時(shí)的水力性能，以劉老澗抽水站泵裝置為研究對(duì)象，采用CFX數(shù)值模擬與泵裝置模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)帶有簸箕型流道的立式軸流泵裝置進(jìn)行了反向發(fā)電工況全流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了機(jī)組的發(fā)電效率、流量等外特性參數(shù)以及流道內(nèi)渦帶的演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：① 劉老澗抽水站反向發(fā)電裝置效率與發(fā)電轉(zhuǎn)速有關(guān)，全速發(fā)電時(shí)，最高效率為42.7%;75%轉(zhuǎn)速發(fā)電時(shí)，最高效率為47.2%;60%轉(zhuǎn)速發(fā)電時(shí)，最高效率為51.3%。② 全速發(fā)電時(shí)，水泵葉輪葉片的表面載荷分布曲線存在突變。③ 不同的發(fā)電轉(zhuǎn)速在簸箕型流道內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生尾水管渦帶并引起低頻水壓脈動(dòng)，而且水壓脈動(dòng)的幅值與渦帶強(qiáng)度隨著發(fā)電轉(zhuǎn)速的增加而增加。研究成果可為今后開(kāi)展該類(lèi)泵站的泵裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供一定參考。

關(guān)鍵詞：簸箕型流道; 泵裝置; 反向發(fā)電; 劉老澗抽水站

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV675

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.035

0引 言

泵站發(fā)電廣泛應(yīng)用于平原地區(qū)的低揚(yáng)程泵站中，這類(lèi)泵站在規(guī)劃設(shè)計(jì)之初完全是按照泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程建成后根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際需求，在豐水季節(jié)利用多余的水進(jìn)行反向發(fā)電，以提高水資源的利用率[1-2]。

劉老澗抽水站竣工于1996年，水泵葉輪的直徑為3.1 m，是國(guó)內(nèi)第一座采用簸箕型流道的具有反向發(fā)電功能的大型低揚(yáng)程泵站[3-4]。 目前，針對(duì)泵站反向發(fā)電的研究主要集中在發(fā)電方式及其運(yùn)行穩(wěn)定性方面。比如，戴景等[5]通過(guò)對(duì)南水北調(diào)東線洪澤站的水泵裝置進(jìn)行反向發(fā)電的數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在大型立式軸流泵站反轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)，會(huì)在進(jìn)水流道內(nèi)出現(xiàn)類(lèi)似于水輪機(jī)中尾水管渦帶的流動(dòng)現(xiàn)象;周穎等[6]通過(guò)數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軸流泵反轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)，壓力脈動(dòng)幅值隨著空化系數(shù)的減小而增大，空化系數(shù)越小轉(zhuǎn)輪的不穩(wěn)定性就會(huì)加劇;魏強(qiáng)林等[7]通過(guò)對(duì)江都三站反向發(fā)電實(shí)際運(yùn)行情況開(kāi)展的研究，發(fā)現(xiàn)采用變頻發(fā)電方式可以提高發(fā)電效率并且不會(huì)影響水泵工況的裝置效率;戴景[8]通過(guò)對(duì)淮安三站四象限電子變頻燈泡貫流泵裝置的飛逸過(guò)渡過(guò)程開(kāi)展數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該泵站在反轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)，機(jī)組最大出力對(duì)應(yīng)的水泵葉輪轉(zhuǎn)速約為水泵額定轉(zhuǎn)速的60%;李之帆[9]借助于數(shù)值模擬的方法，得到了軸流泵做液力透平時(shí)最優(yōu)工況與做水泵運(yùn)行時(shí)最優(yōu)工況之間的關(guān)系，并給出了具體的比例關(guān)系。

劉老澗抽水站是目前已經(jīng)建成投運(yùn)的唯一一座采用簸箕型流道的具有反向發(fā)電功能的泵站。在設(shè)計(jì)之初，劉老澗抽水站單泵的設(shè)計(jì)流量偏大，流量系數(shù)達(dá)到了0.224[10-12]，遠(yuǎn)高于南水北調(diào)一期工程以及引江濟(jì)淮工程新建泵站的流量系數(shù)。當(dāng)泵站在反向發(fā)電運(yùn)行時(shí)，簸箕型流道成了水輪機(jī)的尾水管，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的尾水管以及泵型的水力性能方面的研究幾乎為空白。為此，本文結(jié)合劉老澗抽水站改造工程，對(duì)采用簸箕型流道的大型低揚(yáng)程泵裝置的反向發(fā)電工況的水力性能進(jìn)行了初步的研究，研究成果可為今后該類(lèi)泵站的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供一定的參考。

1泵站概況

在對(duì)劉老澗抽水站進(jìn)行技術(shù)改造的過(guò)程中，保持了原簸箕形進(jìn)水流道和虹吸式出水流道型線和尺寸不變。該抽水站的原型泵的葉輪直徑為3.1 m，轉(zhuǎn)速為136.4 r/min，單泵設(shè)計(jì)流量為37.500 0 m3/s;模型泵的葉輪直徑為0.3 m，轉(zhuǎn)速為1 409.5 r/min，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量為0.351 2 m3/s。劉老澗抽水站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為3.7 m，最大凈揚(yáng)程為3.7 m，平均凈揚(yáng)程為3.4 m。圖1為劉老澗抽水站站身的縱剖面圖。

2三維模型與數(shù)值計(jì)算方法

2.1三維模型

圖2為劉老澗抽水站原型泵裝置的三維圖，劉老澗抽水站采用的是TJ04-ZL-06水力模型，水泵葉輪的葉片數(shù)為3片，導(dǎo)葉的葉片數(shù)為5片，原型水泵葉輪的直徑為3 100 mm。

2.2網(wǎng)格劃分

劉老澗抽水站泵裝置總共可以分為簸箕型進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、虹吸式出水流道4個(gè)部分。對(duì)于葉輪與導(dǎo)葉部分，均在TurboGrid中進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分;對(duì)于虹吸式流道部分，在ICDM-CFD中進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分;對(duì)于簸箕型流道部分，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而在ICEM-CFD中進(jìn)行六面體核心非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分[13]。葉輪與導(dǎo)葉的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3數(shù)值計(jì)算前處理設(shè)置

在開(kāi)展水輪機(jī)工況數(shù)值計(jì)算時(shí)，進(jìn)口邊界條件采用的是壓強(qiáng)，出口邊角條件采用的是自由出流即“Opening”，壁面函數(shù)采用的是光滑無(wú)滑移系數(shù)。在進(jìn)行定常計(jì)算時(shí)，將靜止域之間的交界面設(shè)置為“None”，將旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間的交界面設(shè)置為“Stage”。對(duì)于非定常數(shù)值計(jì)算，是以定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果為初始狀態(tài)，葉輪每旋轉(zhuǎn)1°計(jì)算一次流場(chǎng)，非定常數(shù)值計(jì)算的總時(shí)間為葉輪旋轉(zhuǎn)20圈的用時(shí)。

3泵裝置模型試驗(yàn)

原型水泵葉輪直徑為3.1 m，模型泵葉輪直徑為0.3 m，模型比為10.33。原型泵葉輪的轉(zhuǎn)速為136.4 r/min，根據(jù)等nD相似換算得到模型泵裝置葉輪的轉(zhuǎn)速為1 409.5 r/min。泵裝置由簸箕型進(jìn)水流道、水泵葉輪、后導(dǎo)葉和虹吸式出水流道共同構(gòu)成，對(duì)全部過(guò)流部件均按照同一模型比進(jìn)行縮小后，再加工成模型泵裝置。安放在試驗(yàn)臺(tái)上的模型泵裝置如圖4所示。

圖5為劉老澗抽水站水輪機(jī)工況泵裝置的外特性數(shù)值模擬值與模型試驗(yàn)換算至原型值[14-16]的對(duì)比。在設(shè)計(jì)工況下，泵裝置水輪機(jī)工況的外特性數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，泵裝置效率與流量的相對(duì)誤差均小于0.6%。綜上所述，本文數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地反映泵裝置的水力性能。

4結(jié)果與分析

4.1不同發(fā)電轉(zhuǎn)速下泵裝置的能量特性

劉老澗抽水站的反向發(fā)電裝置效率與發(fā)電轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，如圖6所示。當(dāng)水泵葉輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，泵裝置的效率較低;而當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，泵裝置的發(fā)電效率會(huì)顯著上升。值得注意的是，泵裝置的發(fā)電效率的高效區(qū)同樣會(huì)受葉輪轉(zhuǎn)速的影響，高轉(zhuǎn)速的時(shí)候高效區(qū)偏向低水頭方向，低轉(zhuǎn)速的時(shí)候高效區(qū)偏向高水頭方向。流量隨轉(zhuǎn)速的變化則基本上是單調(diào)的，水頭相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越高泵裝置的流量越大，而相同轉(zhuǎn)速時(shí)，流量隨水頭的變化基本上是單調(diào)遞增的。

4.2不同發(fā)電轉(zhuǎn)速水泵葉輪葉片表面載荷分布

圖7為軸流泵葉片表面流線分布示意圖。從葉片輪轂側(cè)至葉片外緣側(cè)依次劃分為Span=0.05、Span=0.50、Span=0.95共3條流線。

不同的發(fā)電轉(zhuǎn)速對(duì)水泵葉輪葉片的表面載荷分布有著較為明顯的影響。如圖8所示，高轉(zhuǎn)速時(shí)，水泵葉輪葉片工作面與背面的載荷分布曲線的差值要大于低轉(zhuǎn)速時(shí)的差值。工作面與背面的載荷差值直接反映了葉片對(duì)外做功的能力，相同水頭下轉(zhuǎn)速越高葉片對(duì)外做功能力越差。同一工況下，水泵葉輪葉片外緣的載荷分布曲線的工作面與背面的差值大于靠近輪轂側(cè)流線上的載荷差值，這說(shuō)明葉片外緣流線的做功能力大于葉片靠近輪轂側(cè)流線的做功能力;高轉(zhuǎn)速時(shí)，水泵

葉輪葉片表面載荷分布曲線上出現(xiàn)了明顯的“不平滑”現(xiàn)象，這說(shuō)明流線上的載荷分布并不是均勻

的，可以進(jìn)一步地說(shuō)明此時(shí)葉片表面的流動(dòng)出現(xiàn)了脫流、旋渦等不良流態(tài)[17]。這一點(diǎn)葉片外緣的流線比葉片輪轂側(cè)的流線更為嚴(yán)重，而轉(zhuǎn)速較低時(shí)載荷突變這

種情況幾乎沒(méi)有。顯然，降低水泵葉輪發(fā)電轉(zhuǎn)速，有利

于提高水泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性。

4.3簸箕型流道內(nèi)部流動(dòng)特性

相同發(fā)電水頭下，轉(zhuǎn)速越高簸箕型流道內(nèi)的流線越紊亂。如圖9所示，尤其是在簸箕型流道的鼻端，轉(zhuǎn)速越高時(shí)鼻端的旋渦越明顯，回流也越強(qiáng)，這也直接導(dǎo)致了高轉(zhuǎn)速時(shí)簸箕型流道的水力損失越高。當(dāng)發(fā)電轉(zhuǎn)

速降低時(shí)，泵裝置的流量也在減小，簸箕型流道內(nèi)的流態(tài)有了明顯的改善，在簸箕型流道的鼻端未見(jiàn)明顯的旋渦與回流等不良流態(tài)，低轉(zhuǎn)速時(shí)整個(gè)簸箕型流道內(nèi)流態(tài)較為平順。這也說(shuō)明，發(fā)電轉(zhuǎn)速的降低有利于改善簸箕型流道內(nèi)部流動(dòng)特性。

4.4簸箕型流道內(nèi)部水壓脈動(dòng)

圖10為非定常數(shù)值計(jì)算水壓脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的示意圖。

為了定量地描述監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水壓脈動(dòng)特性，引入了壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp[18]。如圖11所示，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置靠近葉輪室時(shí)，水壓脈動(dòng)的主頻以1倍的葉片通過(guò)頻率為主，但幅值隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增加;當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置逐漸遠(yuǎn)離葉輪室時(shí)，水壓脈動(dòng)的主頻出現(xiàn)了明顯的下降，主頻值約為0.45 Hz，這一數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泵葉輪葉片的通過(guò)頻率，而更接近根據(jù)村上光清經(jīng)驗(yàn)公式[19]計(jì)算得到的水輪機(jī)尾水管渦帶引起的低頻水壓脈動(dòng)的主頻值，即主頻約為轉(zhuǎn)速的1/240，這一頻率特性在不同轉(zhuǎn)速下均會(huì)出現(xiàn)，但幅值則隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。

綜上所述，劉老澗抽水站在反向發(fā)電運(yùn)行時(shí)，即使發(fā)電轉(zhuǎn)速不同，但在喇叭管底部至簸箕型流道內(nèi)均出現(xiàn)了類(lèi)似由水輪機(jī)尾水管渦帶引起的低頻水壓脈動(dòng)，而且幅值受轉(zhuǎn)速單調(diào)影響，轉(zhuǎn)速越高幅值越大。

4.5簸箕型流道內(nèi)渦帶

劉老澗抽水站不同轉(zhuǎn)速反向發(fā)電時(shí)在簸箕型流道內(nèi)均出現(xiàn)了明顯的渦帶。如圖12所示，與水輪機(jī)尾水管渦帶[20]以及帶有肘形流道反向發(fā)電泵站不同的是，由于簸箕型流道的結(jié)構(gòu)特殊性，簸箕型流道內(nèi)的渦帶并不是一個(gè)完整的渦帶，而是在中隔墩與流道下底板的共同作用下被破碎成若干個(gè)較小的渦帶，這種流動(dòng)特性不僅降低了尾水管本應(yīng)有的水力功能，更是由于流態(tài)的紊亂容易誘發(fā)水力振動(dòng);簸箕型流道內(nèi)的渦帶隨著轉(zhuǎn)速的增加也在逐漸增強(qiáng)。

5結(jié) 論

（1） 劉老澗抽水站改造后的泵裝置可以反向發(fā)電運(yùn)行，但需要對(duì)泵裝置的發(fā)電轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，如采用變頻機(jī)的機(jī)械變頻方式，較低的發(fā)電轉(zhuǎn)速不僅可以獲得較高的發(fā)電效率，同時(shí)還可以提高泵裝置的流動(dòng)穩(wěn)定性。

（2） 反向全速發(fā)電時(shí)，從葉輪葉片表面載荷分布曲線上可以判斷出水泵葉輪葉片表面會(huì)出現(xiàn)脫流的情況，由于葉輪是重要的功能轉(zhuǎn)換部件，葉輪葉片表面的脫流會(huì)引起水泵的喘振。

（3） 反向發(fā)電時(shí)，簸箕型流道內(nèi)出現(xiàn)了類(lèi)似于水輪機(jī)尾水管渦帶的流動(dòng)情況，并在喇叭管底部至簸箕型流道內(nèi)產(chǎn)生了低頻水壓脈動(dòng)。但由于流道結(jié)構(gòu)形式的特殊，主渦帶在中隔板的影響下被破碎成若干較小的渦帶，在簸箕型流道內(nèi)產(chǎn)生旋渦、回流等不良流態(tài)，然而隨著發(fā)電轉(zhuǎn)速的降低，這種不良流態(tài)得到一定程度的改善。

（4） 簸箕型流道由于結(jié)構(gòu)的特殊性，并不適用于具有反向發(fā)電功能的大型泵站。

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（編輯：趙秋云）

Abstract：In order to study the hydraulic performance of the pump device when the vertical axial flow pump device with the dustpan-type channel generates power reversely，taking the pump device of Liulaojian Pumping Station as the research object，the CFX numerical simulation and the pump device model test were combined to conduct numerical calculation of the whole flow field.The external characteristic parameters such as the power generation efficiency and flow rate of the unit and the evolution law of the vortex belt in the flow channel were obtained.The results showed that the efficiency of reverse power generation device was related to the power generation rotation speed，the maximum efficiency was 42.7% at full speed，47.2% at 75% speed and 51.3% at 60% speed.There was a mutation in the surface load distribution curve of the pump impeller blade under full speed power generation.Vortex band of draft tube and low frequency water pressure fluctuation were produced in dustpan channel under different power generation speed，and the amplitude and intensity of water pressure fluctuation increased with the increase of power generation speed.

Key words：dustpan channel;pump device;reverse power generation;Liulaojian Pumping Station