杜榮幸，陳梁年，德宮健男，王　慶，榎 本保之（.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 3006；.株式會(huì)社東芝，日本 東京 05-800）

清遠(yuǎn)長(zhǎng)短葉片水泵水輪機(jī)水力研究及模型試驗(yàn)

杜榮幸1，陳梁年1，德宮健男2，王慶1，榎 本保之2
（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式會(huì)社東芝，日本 東京 105-8001）

摘要：根據(jù)東芝公司對(duì)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水泵水輪機(jī)的長(zhǎng)期研究結(jié)果，對(duì)其主要特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，并介紹了清遠(yuǎn)電站長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水泵水輪機(jī)的水力開發(fā)、模型試驗(yàn)以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院中立試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)收試驗(yàn)的主要情況。

關(guān)鍵詞：水泵水輪機(jī)；長(zhǎng)短葉片；CFD解析；模型試驗(yàn)；驗(yàn)收試驗(yàn)

1　前言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市的清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座日調(diào)節(jié)型純抽水蓄能電站，安裝4臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，單機(jī)容量（發(fā)電工況）320MW，總裝機(jī)容量1280MW，是我國(guó)目前已建及在建抽水蓄能電站中單機(jī)容量最大的電站。于2009年進(jìn)行國(guó)內(nèi)公開招標(biāo)，由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司中標(biāo)并簽訂合同。在機(jī)組選型中采用了東芝新型長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水泵水輪機(jī)。本文根據(jù)東芝公司對(duì)水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的長(zhǎng)期研究結(jié)果對(duì)其主要特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，并針對(duì)清遠(yuǎn)電站水力開發(fā)、模型試驗(yàn)以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院中立試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)收試驗(yàn)的主要情況進(jìn)行介紹。

2　長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪特點(diǎn)及應(yīng)用

長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪是一種沿圓周方向交替布置長(zhǎng)葉片和短葉片的新型轉(zhuǎn)輪，因其在運(yùn)行中比常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪具有更高的水力穩(wěn)定性而受到矚目。東芝公司在世界范圍內(nèi)率先開始了對(duì)長(zhǎng)短葉片水泵水輪機(jī)的研究，2003年，世界上第一臺(tái)長(zhǎng)短葉片水泵水輪機(jī)——由東芝公司研發(fā)生產(chǎn)的安云電站（更換轉(zhuǎn)輪改造）長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪成功投產(chǎn)發(fā)電，標(biāo)志著長(zhǎng)短葉片水泵水輪機(jī)應(yīng)用時(shí)代的到來(lái)。此后，由東芝公司研發(fā)生產(chǎn)的神流川電站也采用了長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，首臺(tái)機(jī)于2005年12月投入商業(yè)運(yùn)行。

隨著安云、神流川等電站的投運(yùn)，長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水泵水輪機(jī)的優(yōu)越性已被逐步證實(shí)。長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪具有的多個(gè)葉片可以顯著降低葉片負(fù)荷、抑制部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生的流體的偏向以及二次流的發(fā)生，在壓力脈動(dòng)、振動(dòng)等方面長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪明顯優(yōu)于常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪，具有如下特點(diǎn)：

（1）性能變化平緩，適應(yīng)較大的水頭變幅；

（2）壓力脈動(dòng)降低；

（3）空化性能提高；

（4）效率、尤其是部分負(fù)荷效率提高；

（5）轉(zhuǎn)輪剛性好，強(qiáng)度和可靠性得到提高。

3　清遠(yuǎn)電站水泵水輪機(jī)主要參數(shù)

型式立軸、單級(jí)、混流可逆式水泵水輪機(jī)

最大毛水頭/揚(yáng)程 504.5m

最小毛水頭/揚(yáng)程 449.3m

額定凈水頭470.0m

水輪機(jī)額定功率326.5MW

水泵最大輸入功率 331.0MW

額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速630（定常）/690（瞬態(tài)）r/min轉(zhuǎn)輪公稱直徑2.242m

最小吸出高度-66m

4　基于CFD的水力設(shè)計(jì)及優(yōu)化

模型轉(zhuǎn)輪開發(fā)基于東芝公司類似比轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪及豐富的水力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，流道中的每個(gè)部件均通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD解析）進(jìn)行優(yōu)化。

（1）蝸殼

蝸殼截面尺寸優(yōu)化基于傳統(tǒng)的一維理論，目的是為了使從流道進(jìn)口到流道末端的平均流速保持圓周恒定，固定導(dǎo)葉進(jìn)口的流動(dòng)角度盡可能的保持一致。此外，安裝在座環(huán)上、下環(huán)板外側(cè)的導(dǎo)流圓板引導(dǎo)著水流平緩地進(jìn)入固定導(dǎo)葉，蝸殼截面數(shù)量與固定導(dǎo)葉個(gè)數(shù)相等。

（2）固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉

考慮到與轉(zhuǎn)輪葉片總數(shù)10的組合中可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)輪振動(dòng)模式的情況，活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量定為16個(gè)，固定導(dǎo)葉的個(gè)數(shù)也定為16。

在從強(qiáng)度方面確定厚度或截面積的同時(shí)，導(dǎo)葉的幾何形狀通過(guò)CFD進(jìn)行優(yōu)化以使水力損失減小。選擇固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間最合適的圓周相對(duì)位置，使在水力最大開度時(shí)的水力損失達(dá)到最小。在最后的設(shè)計(jì)中，還將對(duì)卡門渦脫流的情況進(jìn)行檢查。水輪機(jī)額定工況點(diǎn)及水泵最小揚(yáng)程附件的解析結(jié)果見圖1。

圖1　固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉解析結(jié)果

（3）轉(zhuǎn)輪

為了使長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪(5長(zhǎng)/5短)適合于其自身出色的水力性能和振動(dòng)特性，針對(duì)長(zhǎng)葉片和短葉片的翼型分別進(jìn)行CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了水泵工況短葉片的進(jìn)水邊外，水泵工況的進(jìn)水邊和水輪機(jī)工況的出水邊制作成抑制空化發(fā)生的鈍頭形狀。水泵的揚(yáng)程-流量特性曲線的傾斜程度，可以滿足最高揚(yáng)程下的最大揚(yáng)水量和最小揚(yáng)程下的最大輸入功率的要求，大傾斜度的曲線將有助于水泵空化特性的改善。對(duì)相鄰長(zhǎng)葉片的出水邊開口進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到在水輪機(jī)工況時(shí)轉(zhuǎn)輪水流出口徑向方向的流速均勻分布，使水力損失和尾水管壓力脈動(dòng)減少。

（4）尾水管

尾水管形狀優(yōu)化的目的是為了使水輪機(jī)水流進(jìn)口和出口之間水力損失達(dá)到最小。尾水錐管必須足夠長(zhǎng)，用以消除偏流現(xiàn)象和水泵工況中轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的紊流現(xiàn)象。尾水管肘管設(shè)計(jì)成在調(diào)相運(yùn)行時(shí)可減少向下池泄漏壓縮空氣量的形狀。

水泵水輪機(jī)的CFD優(yōu)化不僅只針對(duì)設(shè)計(jì)工況，對(duì)于部分負(fù)荷及非設(shè)計(jì)工況也作了綜合考慮，因此將有助于水泵水輪機(jī)整體性能的提升。非設(shè)計(jì)工況下的優(yōu)化主要課題包含：

①水泵工況下回流區(qū)向高揚(yáng)程側(cè)移動(dòng)；

②水輪機(jī)部分負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口非定常空化的抑制以及二次流的抑制；

③非設(shè)計(jì)工況下，各部位壓力脈動(dòng)的控制等。

東芝公司的最新CFD解析技術(shù)可以將靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件整體作為計(jì)算模型進(jìn)行處理，由此可以研究靜止部件與旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)匹配問(wèn)題，從而使得解析結(jié)果更加準(zhǔn)確。

5　初步模型試驗(yàn)

初步模型試驗(yàn)在位于日本橫濱的東芝能源工業(yè)系統(tǒng)研發(fā)中心的水力研究所2號(hào)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)及試驗(yàn)條件如下：

最大試驗(yàn)水頭/揚(yáng)程200m

最大流量0.8m3/s

測(cè)功電機(jī)功率460 kW

最大轉(zhuǎn)速3 000min-1

模型轉(zhuǎn)輪直徑DM300mm

模型至原型比尺7.4733

相似性從蝸殼進(jìn)口至尾水管出口的全流道相似

試驗(yàn)水頭60m

模型試驗(yàn)按照IEC 60193（1999）（國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)：《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》）規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容包含：水泵效率試驗(yàn)、水輪機(jī)出力試驗(yàn)、水泵功率試驗(yàn)、水輪機(jī)空化試驗(yàn)、水泵空化試驗(yàn)、飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、四象限特性試驗(yàn)、頂蓋壓力試驗(yàn)、軸向水推力和徑向水推力試驗(yàn)、蝸殼和尾水管差壓試驗(yàn)、水泵工況下零流量揚(yáng)程試驗(yàn)、模型機(jī)尺寸檢查。

根據(jù)初步模型試驗(yàn)結(jié)果，全部性能滿足合同要求。因?yàn)橹饕男阅茉囼?yàn)項(xiàng)目均有相應(yīng)的驗(yàn)收試驗(yàn)，為節(jié)省篇幅，本文將不再綴述，而重點(diǎn)對(duì)在第三方試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的模型驗(yàn)收試驗(yàn)進(jìn)行介紹。

6　模型驗(yàn)收試驗(yàn)

6.1概況

模型驗(yàn)收試驗(yàn)于2011年5月30日至7月1日，在作為第三方中立試驗(yàn)臺(tái)的瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室PF-3試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司、廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院北京中水科工程總公司、株式會(huì)社東芝、東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司等單位的代表和特邀專家參與、見證了驗(yàn)收試驗(yàn)。

6.2試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)及試驗(yàn)條件

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院水力試驗(yàn)室是國(guó)際上著名的中立水力試驗(yàn)室，F(xiàn)3試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)如下：

最大試驗(yàn)水頭/揚(yáng)程100m

最大流量1.4m3/s

測(cè)功電機(jī)功率300 kW

最大轉(zhuǎn)速2 500min-1

模型水泵水輪機(jī)裝配照片見圖2。

圖2　模型水泵水輪機(jī)裝配

6.3驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目的主要試驗(yàn)結(jié)果

驗(yàn)收試驗(yàn)按照合同要求以及IEC 60193(1999)（國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)：《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》）規(guī)程進(jìn)行，模型驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目包含:測(cè)量?jī)x器的率定、水輪機(jī)效率試驗(yàn)、水輪機(jī)輸出功率試驗(yàn)、水輪機(jī)空化試驗(yàn)、水輪機(jī)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、蝸殼壓差、尾水管壓差試驗(yàn)、水泵效率試驗(yàn)、水泵輸入功率和流量試驗(yàn)、水泵二次回流試驗(yàn)、水泵空化試驗(yàn)、水泵壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、水泵零流量試驗(yàn)、四象限特性試驗(yàn)、水推力試驗(yàn)、導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)、頂蓋壓力試驗(yàn)、水泵水輪機(jī)模型尺寸檢查等。以下將對(duì)主要性能試驗(yàn)項(xiàng)目的模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

（1）效率試驗(yàn)

水輪機(jī)工況包括：加權(quán)平均效率、最高效率、運(yùn)行范圍內(nèi)的最高效率、額定工況點(diǎn)效率及12個(gè)導(dǎo)葉開度的完整效率試驗(yàn)。水泵工況包括：加權(quán)平均效率、最高效率、最低揚(yáng)程工況點(diǎn)效率及22個(gè)導(dǎo)葉開度的完整效率試驗(yàn)。模型到原型的效率修正采用IEC 60193(1999)規(guī)定的兩步修正法。驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果與初步試驗(yàn)結(jié)果基本一致，全部滿足合同保證值。

（2）水輪機(jī)輸出功率試驗(yàn)

驗(yàn)收試驗(yàn)驗(yàn)證了在470m水頭下，水輪機(jī)額定功率滿足保證值326.5MW；在導(dǎo)葉機(jī)械最大開度下，水輪機(jī)的最大功率可達(dá)到336.3MW。

（3）水泵輸入功率和流量試驗(yàn)

水泵最低揚(yáng)程(Hst=449.3m)在頻率50.5Hz時(shí)，正常換算情況下的原型水泵最大輸入功率為325.5MW，滿足合同保證值331MW的要求。同樣在50.5Hz條件下,不考慮模型到原型的效率換算修正值時(shí)，原型水泵的最大輸入功率為332MW。水泵最低揚(yáng)程（Hst=449.3m）在頻率50 Hz時(shí)，在正常換算的情況和不考慮效率換算修正值時(shí)，均能滿足原型水泵的最大輸入功率不大于331MW的要求。水泵最高揚(yáng)程（Hst=504.5m）在頻率50Hz時(shí)的最小流量為53.5 m3/s，滿足合同保證值51.76m3/s的要求。

（4）壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

水輪機(jī)工況包括：對(duì)指定凈水頭和電站空化系數(shù)下的尾水管、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間、轉(zhuǎn)輪與頂蓋間的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)尾水管的渦帶情況進(jìn)行了描繪和拍照。試驗(yàn)結(jié)果表明，在最大水頭和額定水頭的正常運(yùn)行范圍內(nèi)，壓力脈動(dòng)值均小于保證值。額定水頭時(shí)、電站裝置空化系數(shù)下額定功率及50%功率時(shí)的渦帶情況見圖3。

圖3　水輪機(jī)工況額定水頭、裝置空化系數(shù)時(shí)的渦帶情況

水泵工況包括：對(duì)指定凈水頭和電站空化系數(shù)下的尾水管、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間、轉(zhuǎn)輪與頂蓋間的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明，在最高揚(yáng)程和最低揚(yáng)程的正常運(yùn)行范圍內(nèi)，壓力脈動(dòng)值均小于合同保證值。在零流量運(yùn)行工況，對(duì)2個(gè)導(dǎo)葉開度下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，壓力脈動(dòng)值小于合同保證值。

（5）空化試驗(yàn)

水輪機(jī)工況包括：在指定凈水頭（最大水頭、額定水頭、最小水頭）下進(jìn)行水輪機(jī)空化試驗(yàn)。結(jié)果表明：在全部正常運(yùn)行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)條件下不會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象。電站空化系數(shù)與初生空化系數(shù)之比為1.47～2.65，水輪機(jī)工況的空化性能有較大的裕度。

水泵工況包括：在指定凈水頭（最高揚(yáng)程（49Hz、49.8 Hz、50 Hz）、最小揚(yáng)程（50 Hz、50.5 Hz、51 Hz）、最高揚(yáng)程和最低揚(yáng)程之間的2個(gè)揚(yáng)程）下進(jìn)行了水泵空化試驗(yàn)。結(jié)果表明，在全部正常運(yùn)行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)條件下無(wú)空化運(yùn)行。電站空化系數(shù)與初生空化系數(shù)之比為1.36～2.25，水泵工況的空化性能同樣有非常大的裕度。

（6）水泵二次回流試驗(yàn)

最高揚(yáng)程（49.8 Hz)與水泵二次回流區(qū)的起始點(diǎn)的揚(yáng)程之間的安全裕量為6.2%，滿足合同保證值的要求。

（7）四象限特性試驗(yàn)

在水輪機(jī)正常運(yùn)行范圍、水輪機(jī)制動(dòng)工況、水泵正常運(yùn)行范圍、反向水泵工況和水泵制動(dòng)工況下進(jìn)行了模型四象限特性試驗(yàn)。模型試驗(yàn)分別在7個(gè)導(dǎo)葉開度下進(jìn)行。水輪機(jī)制動(dòng)工況再增加4個(gè)導(dǎo)葉開度條件的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水輪機(jī)正常運(yùn)行水頭范圍和頻率變化范圍內(nèi),最低水頭起動(dòng)時(shí)遠(yuǎn)離不穩(wěn)定的S特性區(qū)（見圖4），不會(huì)發(fā)生水輪機(jī)低水頭無(wú)法正常起動(dòng)的現(xiàn)象。

圖4　四象限特性曲線中的S區(qū)域

7　結(jié)束語(yǔ)

（1）瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院中立試驗(yàn)臺(tái)的驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了長(zhǎng)短葉片水泵水輪機(jī)不僅具備高效率、低脈動(dòng)、空化性能優(yōu)良等特點(diǎn)，而且穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域?qū)拸V、性能變化平緩，能適應(yīng)較大的水頭變幅，并可確保水泵工況高揚(yáng)程側(cè)有足夠二次回流余量，水輪機(jī)低水頭側(cè)遠(yuǎn)離不穩(wěn)定S區(qū)域，可為電站今后的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行打下關(guān)鍵性基礎(chǔ)。

（2）清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)順利通過(guò)了有關(guān)各方參與的模型驗(yàn)收試驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)最大容量的水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造奠定了基礎(chǔ)，這也是長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水泵水輪機(jī)將在我國(guó)大型抽水蓄能電站中的首次應(yīng)用，將對(duì)我國(guó)的抽水蓄能事業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]中村高紀(jì)，稻垣泰造，田中宏，等.700米水頭段大容量抽水蓄能機(jī)組的研究進(jìn)展[C].2001年國(guó)際水電大會(huì).

[2]久保田一正，渡邊繁則，進(jìn)藤禎浩，等.超高水頭大容量水泵水輪機(jī)應(yīng)用長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的優(yōu)勢(shì)[C].第23屆國(guó)際水力工程研究協(xié)會(huì)專題會(huì)議.日本橫濱，2006.10.

[3]手塚榎光太郎， 本保之，久保田一正，等.長(zhǎng)短葉片新型轉(zhuǎn)輪在抽水蓄能電站中開發(fā)和應(yīng)用 [C].第八屆亞洲國(guó)際流體機(jī)械會(huì)議.中國(guó)宜昌，2005.10.

中圖分類號(hào)：TV136.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）02-0012-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.004

收稿日期：2014-10-15

作者簡(jiǎn)介：杜榮幸（1977-），男，高級(jí)工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。