抽水蓄能机组非稳态过程水力稳定性研究综述

桂中华，肖业祥

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 & 能源与动力工程系，北京市 100084）

0 引言

和常规水电机组相比，抽水蓄能机组除存在特有的水泵水轮机“S”特性、水泵工况驼峰区稳定性问题外，还存在因为转速高而造成机组主轴摆度比常规机组大、机组因双向旋转、工况复杂以及起停频繁等特点而更易造成机组内部各种压力脉动，进而诱发水力稳定性与结构稳定性问题，严重时甚至发生水淹厂房等事故。本文对抽水蓄能机组水力稳定性相关的无叶区压力脉动特性、泵工况驼峰特性、水轮机工况S特性和流固耦合问题等4个方面进行了深入分析，指出了当前抽水蓄能机组水力稳定性与结构稳定性问题研究的不足之处以及今后的研究方向，有利于提高抽水蓄能机组的运行稳定性。

1 水力稳定性问题研究进展

1.1 无叶区压力脉动特性

水泵水轮机在运行时，转轮叶片和活动导叶间相互作用形成的压力脉动（通常称作无叶区压力脉动）是引起机组振动、噪声主要原因之一。为了弄清无叶区压力脉动特性，部分学者采用数值模拟的方法对原模型无叶区压力脉动进行分析，发现无叶区压力脉动频率成分原模型基本相同，且沿圆周方向压力脉动规律相似[1]。还有的学者采用数值模拟的方法研究水泵水轮机无叶区压力脉动传递特性，发现无叶区压力脉动以叶频的倍频为主，在向上游（依次为活动导叶、固定导叶、蜗壳）和下游（尾水管）传播的过程中逐渐减小，但3倍叶频分量的传递特性则不同[2]。尽管数值模拟目前还不能完全精确地模拟压力脉动的幅值及频率特性，但由于其可比较相似的模拟各具体部位流态及压力场，可加深我们对水泵水轮机水力稳定性机理性问题的认识，对压力脉动产生及传播机理的深入研究产生了非常巨大的推动作用。

近年来，为了减小流动损失、提高机组效率，在设计水泵水轮机时，会适当减小转轮及活动导叶间的无叶区，若机组发生动静干涉现象，则会导致幅值更高、更为强烈的压力脉动现象[3]，高幅值的压力脉动引起周期性压力载荷，最终导致结构件的疲劳破坏。这种现象在一些高水头混流式水泵水轮机内时有发生。众多的研究表明，动静干涉主要受到有势流相互作用与黏性作用的共同影响。在水泵水轮机内部，影响动静干涉的因素有很多[4]。首先，活动导叶内切圆直径与转轮外径之比对水泵水轮机动静干涉和压力脉动的影响显著；然后，导叶高度的增加有助于减小无叶区内的压力脉动幅值；此外，转轮叶片包角及出流角对动静干涉和压力脉动具有一定影响，扭曲叶片的使用有助于降低无叶区内的压力脉动；最后，机组内部局部间隙或腔体结构对于无叶区压力脉动也有一定影响。从目前的研究中可以看出，对于动静干涉影响因素方面的研究较少，大部分研究只针对某种转轮或某一特殊工况，且主要集中于试验研究，少有学者采用数值模拟的方法深入探讨动静干涉与压力脉动的相关机理。

1.2 水泵工况的驼峰特性

在水泵的流量-扬程（Q-H）关系曲线中，通常是负斜率曲线，即dH/dQ＜0。但是，在许多水泵和水泵水轮机的水泵工况，却常常会见到如图1所示的“驼峰”曲线，在“驼峰”曲线的正斜率段dHp/dQp＞0，扬程随流量增加而增加。当水泵水轮机运行在该驼峰区时，扬程线穿过正斜率区谷底上方，则表明当水泵水轮机启动过程中随着导叶打开至该开度时，将对应2～3种可能的流量，通常会造成机组输入功率剧烈摆动及输水系统的剧烈震荡，导致机组跳机，严重时可能引发机组或输水系统破坏。到目前为止，少见水泵水轮机因进入驼峰区引起机组事故的报道，但其高扬程区域的不稳定特性确实存在，需在抽水蓄能电站设计及水泵水轮机选择时给予充分重视，进行优化选择。

图1 水泵工况驼峰曲线示意图Figure 1 Schematic diagram of hump curve of pump mode

大量研究对驼峰特性的机理进行了解释，对于水泵水轮机的混流式叶轮而言，驼峰现象主要是由于叶轮出口处的回流现象造成的，随着流量下降，在叶轮出口处的速度沿轴向高度分布变得不均匀，随后出现回流现象[5][6]。此外，导叶内部的失速也对驼峰的形成产生影响。通过减少叶轮的叶片数、叶片安放角和叶轮出口宽度，或者减小压水室断面面积、导叶进口叶片间喉部面积等方法，可以有效消除驼峰现象，但为了兼顾水轮机工况性能，并考虑与导叶的动静部件耦合作用，使得水泵水轮机泵工况下的流量—扬程驼峰不能完全消除[7][8]。目前国内外研究者对水泵水轮机水泵工况的驼峰特性研究越来越深入，对驼峰产生的机理和特性的认识越来越清晰，但是还没有明确统一的结论，特别是对于高水头低比转速水泵水轮机的驼峰特性研究还较少，对于在运行过程中的参数变化对驼峰特性的影响研究也相对较少[9]。一些研究表明，驼峰特性具有迟滞效应，随流量增减的变化规律不统一，并与空化所致扬程下降存在相互干涉。综合而言，水泵水轮机的驼峰特性机理尚待进一步探究[10]。

1.3 水轮机工况的S特性

水泵水轮机在水轮机工况下，全特性曲线存在S特性。发电运行前，水泵水轮机通常处于飞逸状态，水轮机低水头启动工况在S特性区域机组可能快速通过水轮机制动工况进入反水泵区，此时机组由电网吸收功率；当导叶开启有足够的流量时机组会转入水轮机工况，机组开始向电网输出功率，造成很大的主轴力矩反复[11]。水泵水轮机在水轮机工况从空载到带负荷受S特性影响很大，严重时将导致机组不能由空载直接带负荷，造成机组水轮机工况并网启动困难。甩负荷时，S特性也将诱发剧烈的水力振荡，并引起空载运行不稳定现象[12]。

研究表明，S特性的存在可能引起转轮进口附近明显的涡带以及低频压力脉动。S特性的发生与叶片叶型相关，并受到导叶的影响。通过预开部分导叶，增大过流，或通过调整导叶旋转轴位置，增大过流，均可以改善S特性[13]。大量的现场试验证明，采用非同步导叶会造成活动导叶出流和转轮入流不均衡，最典型的副作用是造成机组部件的振动、大轴摆度以及压力脉动的加剧[14]。同时预开导叶或非同步导叶的采用，在工程上增加了控制系统的复杂性，也增加了日常维护和检修的工作量[15]。因此，今后的更佳选择是开发出空载稳定性更好的水泵水轮机，结合恰当的电站参数设计，在不采用非同步导叶条件下获得稳定的空载特性。综合目前的研究可知，S特性与导叶叶道堵塞引起的水力损失相关，然而其机理还未完全阐明，没有统一的学术认识，其产生的不良影响也需要进一步的深入研究。

1.4 流固耦合问题

随着我国水电机组单机容量的不断增大和机组的尺寸相应增大，机械刚度相对降低，机组振动摆度大等稳定性问题已成为影响电站安全稳定运行的关键技术难题。而对于以高水头、高转速、大容量为主要特征的抽水蓄能电站，其机组结构振动问题更为突出。水泵水轮机动静干涉与压力脉动，会引起机组结构件的振动；尾水管周期性转动的涡带，也可能引起机组的强烈振动[16]。反过来，导叶及转轮等过流件的振动也会对压力脉动产生影响。从流固耦合的研究可知，振动较微弱的结构件附近，主要的压力脉动频率是叶片通过频率；而在振动比较强烈的结构件附近，压力脉动的频率为振动频率；越靠近振动结构，流场内的压力脉动幅值越大。由动静干涉现象导致的非定常流场通常会引起结构的高周疲劳。由动静干涉造成的应力集中区域主要集中在叶片的进出水边与上冠及下环连接处[17]。当疲劳循环次数达到极限后，裂纹在应力集中的位置产生。从国内外这方面的研究来看，对于动静干涉影响因素方面的研究较少，大部分研究也只针对某种转轮或某一特殊工况；对于动静干涉与过流件振动的相互影响机制的研究主要集中于实验研究，采用数值模拟的方法深入探讨二者间的相互作用机制的研究也相对较少[18][19]。另外，目前水泵水轮机或水轮机组中，考虑动静干涉对转轮造成的疲劳破坏的研究较多，而讨论对其他过流件的影响研究较少。因此，目前需要展开水轮机动静干涉影响因素的研究，并进一步分析其对水轮机过流部件的影响。

2 相关研究存在的问题及发展方向

总的来说，国内外研究机构对于抽水蓄能机组的工程仿真分析，已开展大量的研究工作，然而，目前存在的不足之处较多。首先，对于特殊工况下机组内部的瞬态流动及其机理的分析较少，比如由动静干涉、相位共振引发的抽水蓄能机组振动机理研究。其次，仿真计算的精度有限，对于复杂流动工况的湍流模拟准确性有待加强；由于受研究方法和研究条件的限制，当前水力稳定问题研究往往需要简化计算域模型、假设湍流模型、假定各种边界条件等，各种简化与假设一定程度导致模拟结果失真，降低了预测结果的准确性。此外，对水力激励引起的结构应力响应研究较为有限，对于抽水蓄能机组流固耦合等多物理场的分析较少，尤其缺乏多场耦合的研究方法，难以建立抽水蓄能机组内部流场、各部件结构场、电机电磁场、轴承轴瓦温度场等物理量之间的宏观联系，无法系统性的、行之有效的解决抽水蓄能机组运行中存在的各种综合性问题。

通过以上分析可以得出，抽水蓄能机组非稳态过程水力稳定性问题仿真研究的重点有：

（1）提高抽水蓄能机组特性数值预测的精度。通过仿真分析构建数值模拟预测与真机、模型机等测试系统的联系，实现更为合理、更为全面的模拟—实测对比分析，在减少局部边界假定和算法假设的基础上，提高可能存在的边界处物理条件的真实性，减小由此可能产生的计算误差，提高抽水蓄能机组数值计算的精度。

（2）建立抽水蓄能机组多相流动多场耦合仿真分析平台，开展抽水蓄能机组系统性分析，对机组运行过程中的瞬变、不稳定流动特征进行更准确的分析，有助于解决由于机组高水头、大容量、高转速、高能量密度、工况频繁转换、机组频繁启停等造成的稳定性问题，满足我国抽水蓄能机组的发展需求。

3 结束语

由于当前数值仿真计算的精度有限，以及忽略多物理场耦合影响等原因，CFD预测值与测试值之间仍存在一些误差，导致数值计算在解决抽水蓄能机组稳定性问题方面还存在一定的不足，影响了仿真结果工程应用的效果。

随着我国抽水蓄能电站建设步伐的加快，迫切需要进一步完善数值仿真研究方法，构建抽水蓄能多相流动、多场耦合仿真平台，更为准确、系统性地诊断分析抽水蓄能机组内部单/多相流动特征、脉动特性与水力激励、各部件结构响应特性等问题，为抽水蓄能机组的选型、设计及运行提供相关理论方法和技术支持。