陳國玉，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）

水泵水輪機內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪直徑較大，運轉(zhuǎn)過程中離心作用較大；當水輪機處于工況運行狀態(tài)時，受水流慣性驅(qū)動影響，進流速度會呈現(xiàn)快速下降狀態(tài)，一旦其自身轉(zhuǎn)速大于飛逸轉(zhuǎn)速時，水輪機將進入制動工況，流量發(fā)生極大變化；如果慣性不降反升，轉(zhuǎn)輪運行離心作用會將水流向反方向推出，進入反水泵工況。對水輪機制動區(qū)流動特性的把握，有助于降低水輪機發(fā)生不穩(wěn)定運行問題的概率，同時對其設(shè)計優(yōu)化也具有一定的指導(dǎo)意義。

1 水泵水輪機的概念和基本工作原理

1.1 水泵水輪機的概念

可以在發(fā)電和抽水兩個方向上進行雙向運行的水利機組，就是通常所稱的可逆性質(zhì)水泵水輪機。這種性質(zhì)的水輪機是當前抽水蓄能電站的關(guān)鍵設(shè)施，對維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有重要的作用；可逆水泵水輪機因高效、靈活及經(jīng)濟等特性，在抽水蓄能電站中得到普遍應(yīng)用。除了可逆水泵水輪機之外，水泵水輪機還包括了混流、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。水輪機由渦殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管5部分組成，當水泵水輪機處于發(fā)電工況下，水流從渦殼流入，經(jīng)過導(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)方向會隨著運行方式的變化出現(xiàn)相應(yīng)的變化[1]。目前水泵水輪機的主要發(fā)展方向是高水頭及大容量；為了更好地滿足實際需求，可變速技術(shù)也開始被應(yīng)用到水泵水輪機中。

1.2 水輪發(fā)電機的基本工作原理

抽水蓄能電站的上游大壩蓄水后，水就帶有勢能，這些具有壓力的水經(jīng)過攔污柵、進水口的檢修閘門、工作閘門后進入渦殼中，形成初步的環(huán)流，經(jīng)過座環(huán)固定性質(zhì)的導(dǎo)葉分流，使其均勻地進入到活動導(dǎo)葉內(nèi)部，還可通過調(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行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)工作，將水的勢能及動能轉(zhuǎn)變成機械能，隨后通過尾水管將這些水分排放至下游[2]。

2 水輪機制動區(qū)內(nèi)部流動不穩(wěn)定產(chǎn)生的問題

1）渦和旋轉(zhuǎn)失速問題。由于電力系統(tǒng)自身的負荷變化速度相對較快，因此，水泵水輪機在不同運行工況之間的轉(zhuǎn)換較為頻繁，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)穩(wěn)定性的問題，比較常見的有較為強烈的壓力脈動、轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)擺動甚至部件斷裂等，這些問題在水泵水輪機處于非設(shè)計工況運行狀態(tài)下表現(xiàn)得尤為顯著，當然這些問題的產(chǎn)生和水泵水輪機內(nèi)部流動結(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)。

當數(shù)量龐大的流體粒子圍繞某一個中心進行旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一個相應(yīng)的渦結(jié)構(gòu)，當流量較小時，流體本身產(chǎn)生的慣性也相對較小，水流和葉片發(fā)生碰撞后，會在水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片處形成一個相應(yīng)的流動分離現(xiàn)象，導(dǎo)致渦的生成。旋轉(zhuǎn)失速在混流性的水泵水輪機中較為常見，且這個旋轉(zhuǎn)失速基本維持在整體轉(zhuǎn)輪實際旋轉(zhuǎn)速的50%～70%之間，一旦旋轉(zhuǎn)失速發(fā)育成熟，就會帶來一個相對較強的壓力脈動，并且還會向上游進行傳播，在進入無葉區(qū)以及導(dǎo)葉區(qū)時同樣也會在這些區(qū)域內(nèi)部引發(fā)渦的誕生[3]。在渦及旋轉(zhuǎn)失速問題不斷產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化以及傳播的過程中就會引發(fā)諸如噪音過大、震動過度及機械疲勞等問題，一旦處于極端工況狀態(tài)下，甚至有可能對整個電站的安全穩(wěn)定運行帶來威脅。

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

3）回流問題。該回流問題是指水流的流動方向和正常狀態(tài)下的水流方向完全相反的問題。當處于非設(shè)計工況時，轉(zhuǎn)輪機內(nèi)部的流動會變得較為復(fù)雜，也就是說在逐漸偏離主流方向的同時會帶來極為明顯的回流現(xiàn)象。還需要注意的一點就是回流問題的產(chǎn)生往往伴隨著渦和旋轉(zhuǎn)失速問題的形成，回流問題會加劇流道內(nèi)部流量的下降程度。

3 制動工況活動導(dǎo)葉區(qū)湍流流動特性分析

1）流動的具體規(guī)律分析?；顒訉?dǎo)葉處于開度相對較小的制動工況狀態(tài)時，會受到固定導(dǎo)葉自身開度的影響，水流本身的流動方向和活動導(dǎo)葉的進口邊會產(chǎn)生較大的沖角，進口的頭部就會出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，導(dǎo)致渦量較小的渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，此時渦量基本維持在200 s-1，此種渦會沿著導(dǎo)葉背面的流面逐步發(fā)展。同時在導(dǎo)葉迎流面的尾部邊緣處也會存在一層薄湍激流，會向著水流的流動方向延伸。在活動導(dǎo)葉上出現(xiàn)振動問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，會在不遠處的下游中達到渦量的最大值，并由此形成渦團中心，其最大值可達900 s-1，是進口處的4.5倍[5]。與此同時，在相鄰導(dǎo)葉背面尾部也會形成渦團中心，會和尾部較強渦區(qū)融合?；顒訉?dǎo)葉尾跡的流動形態(tài)基本和圓柱繞流尾跡相似，當達到一定的雷諾數(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)致整體機組出現(xiàn)噪聲過大等問題。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)化過程中會將部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎鹪?，這就是水力振動出現(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)出對稱分布的特點，導(dǎo)葉內(nèi)部的上下兩側(cè)和壁面接觸部分會因水流帶來的較為強大的沖擊力而加大渦量，進一步說明了活動導(dǎo)葉背面附近的水流流動較為紊亂的原因。

2）渦量的分布情況分析。在水輪機固定導(dǎo)葉的出口處至活動導(dǎo)葉的進口處一直存在明顯的漩渦和回流問題。目前針對單個導(dǎo)葉表面的流線研究已經(jīng)能很好地將位于活動導(dǎo)葉頭部的流動分流情況予以詳細說明[6]。若在導(dǎo)葉頭部的迎流一側(cè)出現(xiàn)了一個流動駐點，說明水流在這個部位會劃分為兩個相反方向的水流，且會從相臨近的兩個導(dǎo)葉處流入轉(zhuǎn)輪之中。正常情況下，水流在整個流動過程中會因為沖擊到固體壁面而引發(fā)相應(yīng)的沖擊損失。同時水流對活動導(dǎo)葉的沖擊作用也會對導(dǎo)葉擺動過程的穩(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，活動導(dǎo)葉進水面上往往帶有較強的壓力，平均壓力基本維持在230 kPa左右，水流經(jīng)過導(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)葉的中后部壓力會有所降低，隨后又會出現(xiàn)一種逐漸上升的趨勢，此時壓力往往會從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在經(jīng)過活動導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)變?yōu)樾佥^快的環(huán)流，在這個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的能量損失會導(dǎo)致在轉(zhuǎn)化水流能量的過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，繼而引發(fā)極為強烈的振動問題[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隨著流量的變化而變化。當水輪機處于制動工況零流量時，葉片間的進口處會存在著較大的回流性質(zhì)的渦結(jié)構(gòu)，這個回流性質(zhì)的渦結(jié)構(gòu)會在流量逐步增大的情形下逐漸向葉片出口方向移動并最終消失。在水流量逐漸增加的情形下，當水泵處于零力矩狀況時，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部不會有回流性質(zhì)渦結(jié)構(gòu)的存在。水泵水輪機轉(zhuǎn)輪部分中的葉片屬于前傾式性質(zhì)的葉片，在水輪機制動工況接近零流量時，導(dǎo)葉內(nèi)部緩慢流動的水會因為轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動而被帶入到高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中，這個階段中的動能變化十分巨大，渦殼及導(dǎo)葉內(nèi)部產(chǎn)生的低速旋流在經(jīng)過活動導(dǎo)葉出口及轉(zhuǎn)輪葉片進口處的環(huán)流后會陡然間變成一個流速較快的流動環(huán)流[8]。由于這個速度較快的高速環(huán)流自身的流向和轉(zhuǎn)輪葉片進口存在著一個較大的沖角，從而導(dǎo)致在葉片間會產(chǎn)生射流現(xiàn)象，這個高速射流的存在使得在葉片進口處產(chǎn)生了一個低壓區(qū)，一旦勢能超過流體的動能，就會導(dǎo)致葉片進口附近流體產(chǎn)生一個強度較大的渦結(jié)構(gòu)，且這個渦結(jié)構(gòu)會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的過程中逐步下降直至消失。

4 結(jié)束語

綜上所述，水輪機制動區(qū)的流動特性對于水輪機的穩(wěn)定持續(xù)運行有著極為關(guān)鍵的影響，本文針對其中的流動規(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行了深入分析，希望為水輪機的優(yōu)化設(shè)計及穩(wěn)定運行提供一定的幫助。