东方电机水泵水轮机水力开发的技术进步

傅之跃，刘伟超，郑津生，胡江艺

（东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

东方电机水泵水轮机水力开发的技术进步

傅之跃，刘伟超，郑津生，胡江艺

（东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

从水泵水轮机水力设计技术、水泵水轮机模型装置设计技术和水泵水轮机模型试验技术等几个方面介绍了东方电机在抽水蓄能电站水泵水轮机水力研究开发上的技术进步。

东方电机；水泵水轮机；水力开发；技术进步

0 引言

抽水蓄能机组在电力系统中担任调峰、调频、调组、事故备用和吸收多余电能等任务方面功效显著，对电力系统的稳定运行是不可或缺的。

东方电机一直以来都在致力于抽水蓄能电站水泵水轮机的开发研究。近年来，随着国内电力建设的发展，通过参与一些抽水蓄能电站机组的分包制造，特别是在国家对国内企业技术引进的支持下，抽水蓄能机组的研究发及设计制造能力得到很大提升。本文主要介绍东方电机在水泵水轮机水力开发方面的技术进步。

1 水泵水轮机水力开发的技术进步

1.1 水泵水轮机水力开发的早期自主研发

东方电机从20世纪80年代初就开始进行水泵水轮机的自主水力开发工作，结合国家“八五”重大攻关项目——“大型抽水蓄能机组关键技术攻关”项目，在认真分析参与分包的3个大型抽水蓄能电站和自行研制响洪甸抽水蓄能机组水力资料的基础上，自主进行了500m水头段和150m水头段混流式水泵水轮机水力开发，积累了一定的经验。

20 世纪80年代末，通过三峡电站水轮机水力技术的引进，东方电机水轮机设计理念和设计手段都得到了很大的提升，先进的CFD技术广泛应用于东方电机水轮机的水力设计中，并取得了突出的成绩。在此基础上，东方电机开展了350m水头段的水泵水轮机水力开发工作，将CFD技术应用于水泵水轮机水力设计，试验结果表明，其主要性能指标达到了设计要求。

1.2 水泵水轮机水力开发的技术引进

2003年3月，国家发改委为促进我国抽水蓄能电站建设的发展，采用“打捆招标”的方式引进抽水蓄能电站机组设备设计和制造技术，以逐步实现我国抽水蓄能电站机组设备制造的国产化，东方电机和哈尔滨电机厂是技术转让的主承受方。

2005年3月至7月，东方电机的水力设计人员赴法国阿尔斯通公司进行了为期4个月的水泵水轮机水力设计技术的转让培训工作，系统地学习了阿尔斯通公司的单级混流可逆式水泵水轮机水力设计方法，包括设计理念、基本水力参数选定、商业软件应用、自开发设计软件应用、CFD计算分析、优化方法及经验等。同年11月，阿尔斯通公司派员在我公司的计算工作站上进行了水泵水轮机计算机设计平台的构建，安装了阿尔斯通公司的全套设计软件，并于次年3月份派水力设计专家到东方电机进行了第二阶段的培训。水力试验技术人员和模型试验装置加工工艺人员也在阿尔斯通公司系统地接受了为期两个月的水泵水轮机模型试验相关技术学习培训。在此基础上，东方电机开展了550m～600m水头段、200m～250m水头段和450m～500m水头段水泵水轮机水力开发工作，其成果达到了设计预期。至此，东方电机已基本具备自主进行水泵水轮机水力开发的能力。

2 东电水泵水轮机水力开发的技术进步

2.1 水泵水轮机水力设计的技术进步

通过技术引进，东方电机在水泵水轮机水力设计的设计理念和设计手段方面都取得了实质性的进步。

水泵水轮机的水力设计系统如下：

（1）硬件配置

该水力设计系统的硬件系统为PC工作站，采用Windows2000操作系统。目前我公司配置了6台高性能的HP工作站，其采用Pentium4的3.0GHz双CPU，内存高达4G。同时增配了一台4CPU的IBM P510服务器，该系统的单机计算能力已经十分突出，如加上服务器进行计算，其计算能力将更为强大。

（2）软件系统

该软件系统的主要商业软件为目前业界使用最为广泛的、最为先进的软件，同时拥有更为丰富的自开发软件及计算前后处理宏程序，名称和功用如表1所示。

表1 水泵水轮机水力设计软件

（3）水力设计方法

水力设计系统的设计流程框图如图1所示。

图1 水泵水轮机水力设计流程框图

转轮叶片设计通过MEDE、BLD1、BLD2共同完成，同时也可通过这三个软件完成固定导叶的翼型设计。TCDE软件专用于双列叶栅的设计，SCDE软件专用于蜗壳设计，尤其是用TCDE设计时将固定导叶和活动导叶组合考虑，更便于配合修改和联合计算。

在几何造型方面，由TCDE完成设计后，生成双列叶栅的几何数据文件，通过Excel打开、编辑数据格式，然后由Autocad2000的宏读入，完成二维型线生成，再生成IGS文件输出，利用三维制图软件读入进行造型。双列叶栅使用的是网格划分软件Icemcfd的三维造型功能，而蜗壳和尾水管的三维造型采用Pro_E2001。

网格划分软件为Turbogrid和Icemcfd两种。Icemcfd为Ansys-Icemcfd4.cfx版，可以直接读入二维、三维几何体生成的IGS文件，同时也有很强的三维造型功能。除转轮外的其他通流部件都是通过Icemcfd划分四面体网格进行计算。四面体网格划分简单快捷，适应能力强，计算速度快。

在CFD计算软件方面，TASCFLOW主要用于转轮计算。其他通流部件采用了四面体网格，它们的计算采用了能同时计算四面体和六面体网格部件的CFX5.7。完成功能如下：

（1）蜗壳：将蜗壳和双列叶栅联合划分网格和计算，并只计算水轮机工况，主要计算固定导叶前水流角和进入固定导叶的流量沿圆周方向是否均匀。

（2）双列叶栅：计算水轮机工况和水泵工况，可计算流速和压力分布及损失，活动导叶水力矩，活动导叶出口水流角。

（3）转轮：水泵工况计算流速和压力分布及水力损失，各计算点的NPSH值，扬程流量曲线；水轮机工况计算流速和压力分布及水力损失，出口速度分布；转轮的静、动载荷。

（4）尾水管：主要计算水轮机工况，计算流速和压力分布及损失，流线分布，非稳定流及蜗带和压力脉动计算。

（5）联合计算：可将蜗壳和双列叶栅，双列叶栅和转轮，转轮和尾水管联合计算，还可将蜗壳到尾水管整体联合计算。

图2为模型水泵水轮机水泵工况整体联合计算后处理结果的流线形态分析。

图2 水泵水轮机联合泵工况联合计算流线分析

2.2 水泵水轮机模型装置设计的技术进步

为适应水泵水轮机模型试验时高水头、小流量和试验工况复杂的特性，在模型试验装置设计时采用了全新的设计理念和多个全新的结构形式：

（1）蜗壳采用由厚铝板数控加工内腔的结构，此举改善了原采用102铸铝铸件质量差，数控加工表面粗糙度低的问题，提高了模型试验装置整体刚性，同时也提高了蜗壳与座环、顶盖配合精度；与采用不锈钢材质相比，提高了数控加工的效率，降低了数控加工成本和原材料成本。

（2）座环的结构采用固定导叶与座环下环用不锈钢锻件整体数控加工的结构，提高了固定导叶的位置精度。

（3）针对可逆式水泵水轮机流量小的特点，为提高容积效率，采用了浮动底环结构，以减少导叶端面间隙，把底环加工精度对容积效率的影响降至最低。

（4）转轮叶片采用新的窄上冠分瓣结构，提高了分瓣叶片的加工精度和转轮组合装配精度，同时提高了分瓣叶片数控加工的效率。

（5）转轮下止漏环采用销子定位，使下止漏环可以以销子为中心摆动，在转轮偏摆略微超差时，可减小对转轮下止漏环的磨损。

（6）锥管下法兰与肘管上法兰采用立面密封，容许上下移动的柔性结构，减小了肘管及扩散段内的压力脉动上传效应。

（7）设计了单导叶高精度定位装置，使得非同步导叶的模型试验顺利进行。

以上举措大大提高了模型试验装置的加工精度和运行稳定性，为水力开发的成功打下了基础，而这些设计也已推广至溪洛渡、官地等百万级水电站的水力开发之中。

图3为水泵水轮机模型装置的创新结构示意图。

图3 水泵水轮机模型装置示意图

2.3 水泵水轮机模型试验的技术进步

水泵水轮机的模型试验有其固有的特点。与常规的混流式、轴流式水轮机相比，其模型试验工况多且试验过程复杂，对试验台的结构、测试仪表的性能、电气控制系统等有一些特殊的要求，譬如双向流量测量能力、双向流量率定能力、测功电机双向旋转控制能力、水泵工况的流量调节能力、四象限试验技术等。

（1）试验设备的改进与完善

针对水泵水轮机模型试验的改进还包括完善了测功电机双向控制系统，以进行水泵方向和水轮机方向的运转控制，研制了水轮机转动部件摩擦力测试系统，提高出力与入力的测量准确性，实现了流量双向流动方向的测量，方便了零流量工况附近的流量测量与运行工况确认，设计完善了尾水正压调节系统，对试验台的局部管路结构进行了适应性改进，实现了流量双向率定，开发了水泵水轮机模型试验软件与数据后处理系统。这些新的试验设备以及新的测试技术的投入使用，为水泵水轮机的模型试验奠定了良好的基础。

（2）四象限特性试验

四象限特性曲线表现出水泵水轮机完整的运行工况，对过渡过程的控制与运行有着重要的指导作用，其中在水轮机制动工况附近的模型试验显得更为重要，在该区域，细微的试验可以清晰反应出水泵水轮机的“S”特性，从而可以判断出在运行范围内是否存在严重的“S”特性。“S”特性区域的显著特点是工况极其不稳定，一个单位转速可以对应三个不同的单位流量，而且其中一个位于反水泵工况，流量为负值，系统中的压力波动可能导致运行工况在这三个工况点之间来回运动，使系统极其不稳定，在真机上表现为水轮机启动时转速不稳定，从而无法并网。在模型试验中如果没有特殊的手段，运行工况也会极其不稳定，导致无法准确细腻地试验出“S”区的特性曲线。经过反复探索，摸索出了一套行之有效的进行四象限特性试验的方法，可以得出“S”特性的细腻曲线，从而为水力开发提供准确的试验信息，为改善水泵水轮机的“S”特性提供了强有力的技术手段。

（3）水泵驼峰特性试验

在水泵特性曲线的某一小流量区域，随着流量的减少，扬程不但没有增加，反而降低，而后随着流量的进一步减少，扬程又开始上升，在特性曲线上表现出类似驼峰的曲线，通常称之为水泵驼峰特性。这一特性在真机上表现为，如果驼峰裕量不足，水泵在高扬程条件下的启动与运行将受到影响，因此改善驼峰裕量也是水泵水轮机水力开发的重要指标。模型试验表明，该区域也为不稳定运行区域，必须寻求一种合适的流量调节方法，进行稳定的流量调节，得出稳定的水泵特性曲线。流量调节阀加上水泵对冲方式的应用以及二者之间的协调运行很好地解决了这一问题。

我们以水泵水轮机的技术引进为契机，不断探索水泵水轮机的模型试验技术，通过不同水头段多个项目的模型试验检验，逐步完善了水泵水轮机模型试验技术，增强了试验台进行水泵水轮机模型试验的能力，提高了水泵水轮机水力开发的整体实力，为水力开发的成功提供了保障。

3 水泵水轮机水力自主开发的最新成果

东方电机的水力开发人员通过开展多个水头段和项目的水泵水轮机水力开发工作，已经具有了一定的水泵水轮机水力开发经验，并逐渐构建和完善水泵水轮机水力设计数据库。

3.1 550m～600m水头段水泵水轮机自主水力开发

在认真分析“打捆招标”三个电站高水头抽水蓄能机组水泵水轮机水力参数的基础上，同时为检验东方电机技术人员的技术引进成效，东方电机开展了550m～600m的水头段水泵水轮机水力开发。按照技术引进所学设计流程，进行了从蜗壳、双列叶栅到尾水管CFD优化设计，结合三个模型转轮的水力优化设计，分别进行了蜗壳与双列叶栅、导叶与转轮、转轮与尾水管的联合设计，与复制的某引进电站水泵水轮机水力模型同台对比试验结果表明，达到了预期的设计效果。部分性能试验结果对比曲线见图4～图6。

图4 水泵工况能量比较图

图5 水轮机工况高单位转速能量比较图

图6 水轮机工况低单位转速能量比较图

3.2 200m～250m水头段水泵水轮机自主水力开发

东方电机开展的200m～250m水头段水泵水轮机水力开发也是检验东方电机技术人员的技术引进成效的项目之一。在此基础上，针对国内首个国产化项目——安徽响水涧抽水蓄能电站进行了水泵水轮机水力开发。响水涧抽水蓄能电站虽然与打捆招标电站之一的白莲河电站相近，但应用水头范围和容量均有所不同，造成水力设计参数差别较大，特别是水泵工况。在第一轮水力设计中，进行了三个水泵水轮机水力模型的优化设计，在分析总结模型试验结果的基础上决定采用不同导叶高度的参数方案进行第二轮水力开发，最终完成D481A水力模型优化设计。同台对比试验表明，其主要性能基本满足电站参数要求。其部分试验结果对比如图7～图9所示。

图7 水泵工况能量比较图

图8 水轮机工况高单位转速能量比较图

图9 水轮机工况低单位转速能量比较图

3.3 450m～500m水头段水泵水轮机自主水力开发

450 m～500m水头段水泵水轮机水力开发是针对国内仙游和荒沟等一批450m～500m水头段抽水蓄能电站而进行的。该水头段水泵水轮机在我公司的技术储备尚属空白，这就要求东方电机进行全新的通流部件和转轮的水力设计，其难度可想而知，这也是对东方电机水力设计工程师完全自主进行水泵水轮机水力开发能力的检验。通过不同蜗壳、双流叶栅、尾水管、转轮及各通流部件几何参数不同匹配的水力优化设计、模型试验、总结提高，再优化、再试验、再总结提高，两年多时间四轮水泵水轮机水力开发，终于开发出满足仙游抽水蓄能电站参数要求的水泵水轮机水力模型，并送往国际唯一的中立试验台——瑞士洛桑工学院水力试验台进行了模型试验验证，其模型试验结果与东方电机试验结果基本相当。试验结果见图10、图11。

图10 水轮机工况模型试验曲线

4 展望

图11 水泵工况模型试验曲线

在国家发改委和国内业主单位的大力支持下，通过打捆招标技术引进，东方电机经过多年的努力，自身的消化吸收，全面实践应用，完成了多个水头段的水泵水轮机的水力开发，在抽水蓄能电站水泵水轮机水力开发方面取得了一定的进步。我们相信，有国家发改委和国内业主单位的鼎力相助，东方电机科研人员的努力，抽水蓄能机组国产化的任务一定能完成，东方电机也必将为我国的水电事业作出更大的贡献。

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1672-5387（2011）02-0005-05

2010-10-01

傅之跃（1958-），男,教授级高级工程师,东方电机有限公司技术管理部部长，从事水轮机设计、研究和技术管理工作。