水轮机制动区流动特性分析*

陈国玉，顾秉栋，李 源，林 旭

（青海民族大学土木与交通工程学院，青海 西宁 810017）

水泵水轮机内部的转轮直径较大，运转过程中离心作用较大；当水轮机处于工况运行状态时，受水流惯性驱动影响，进流速度会呈现快速下降状态，一旦其自身转速大于飞逸转速时，水轮机将进入制动工况，流量发生极大变化；如果惯性不降反升，转轮运行离心作用会将水流向反方向推出，进入反水泵工况。对水轮机制动区流动特性的把握，有助于降低水轮机发生不稳定运行问题的概率，同时对其设计优化也具有一定的指导意义。

1 水泵水轮机的概念和基本工作原理

1.1 水泵水轮机的概念

可以在发电和抽水两个方向上进行双向运行的水利机组，就是通常所称的可逆性质水泵水轮机。这种性质的水轮机是当前抽水蓄能电站的关键设施，对维持电力系统稳定运行具有重要的作用；可逆水泵水轮机因高效、灵活及经济等特性，在抽水蓄能电站中得到普遍应用。除了可逆水泵水轮机之外，水泵水轮机还包括了混流、轴流、斜流以及惯流等4种类型，而这4种类型中，混流性质的水泵水轮机因适用范围较广，在抽水蓄能电站中的普及应用也较为广泛。水轮机由涡壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管5部分组成，当水泵水轮机处于发电工况下，水流从涡壳流入，经过导叶和转轮后，由尾水管流出。其中的转轮就是水泵水轮机内部的旋转部分，由上冠、转轮叶片以及下环3部分组成，且转轮的旋转方向会随着运行方式的变化出现相应的变化[1]。目前水泵水轮机的主要发展方向是高水头及大容量；为了更好地满足实际需求，可变速技术也开始被应用到水泵水轮机中。

1.2 水轮发电机的基本工作原理

抽水蓄能电站的上游大坝蓄水后，水就带有势能，这些具有压力的水经过拦污栅、进水口的检修闸门、工作闸门后进入涡壳中，形成初步的环流，经过座环固定性质的导叶分流，使其均匀地进入到活动导叶内部，还可通过调节导叶开度的大小控制水流量，使转轮在水自身压力及速度下进行相应的旋转工作，将水的势能及动能转变成机械能，随后通过尾水管将这些水分排放至下游[2]。

2 水轮机制动区内部流动不稳定产生的问题

1）涡和旋转失速问题。由于电力系统自身的负荷变化速度相对较快，因此，水泵水轮机在不同运行工况之间的转换较为频繁，导致经常出现稳定性的问题，比较常见的有较为强烈的压力脉动、转轴出现摆动甚至部件断裂等，这些问题在水泵水轮机处于非设计工况运行状态下表现得尤为显著，当然这些问题的产生和水泵水轮机内部流动结构的复杂性和其引发的水激力也有一定的关联。

当数量庞大的流体粒子围绕某一个中心进行旋转时会产生一个相应的涡结构，当流量较小时，流体本身产生的惯性也相对较小，水流和叶片发生碰撞后，会在水轮机的转轮叶片处形成一个相应的流动分离现象，导致涡的生成。旋转失速在混流性的水泵水轮机中较为常见，且这个旋转失速基本维持在整体转轮实际旋转速的50%～70%之间，一旦旋转失速发育成熟，就会带来一个相对较强的压力脉动，并且还会向上游进行传播，在进入无叶区以及导叶区时同样也会在这些区域内部引发涡的诞生[3]。在涡及旋转失速问题不断产生、转化以及传播的过程中就会引发诸如噪音过大、震动过度及机械疲劳等问题，一旦处于极端工况状态下，甚至有可能对整个电站的安全稳定运行带来威胁。

2）水流带来相应的作用力。水泵水轮机自身所接收到的激振力主要可分为水激力、机械力以及电磁力3个部分。转轮叶片数量相对较少，且处于较快的旋转速度下，加之经常在高水头上进行运转，导致在非设计工况下壁面会因受到较为复杂的流体作用而产生较为强大的水激力。水激力的存在往往会使水泵水轮机整体出现受力不均衡的问题，也就是所谓的抬机现象，同时还极有可能引发内部轴承及迷宫环等机组部件损坏的问题[4]。例如，浙江安吉天荒坪电站转轮就是因为其内部的水激力过大导致水轮机内部的转动部件出现经常性抬起问题，加重了机组内部的磨损程度导致发生意外停机的概率增加。

3）回流问题。该回流问题是指水流的流动方向和正常状态下的水流方向完全相反的问题。当处于非设计工况时，转轮机内部的流动会变得较为复杂，也就是说在逐渐偏离主流方向的同时会带来极为明显的回流现象。还需要注意的一点就是回流问题的产生往往伴随着涡和旋转失速问题的形成，回流问题会加剧流道内部流量的下降程度。

3 制动工况活动导叶区湍流流动特性分析

1）流动的具体规律分析。活动导叶处于开度相对较小的制动工况状态时，会受到固定导叶自身开度的影响，水流本身的流动方向和活动导叶的进口边会产生较大的冲角，进口的头部就会出现脱流现象，导致涡量较小的涡结构产生，此时涡量基本维持在200 s-1，此种涡会沿着导叶背面的流面逐步发展。同时在导叶迎流面的尾部边缘处也会存在一层薄湍激流，会向着水流的流动方向延伸。在活动导叶上出现振动问题的主要原因是尾部涡系形态以及能量转化，涡系在导叶稳步的边缘部分分离之后，会在不远处的下游中达到涡量的最大值，并由此形成涡团中心，其最大值可达900 s-1，是进口处的4.5倍[5]。与此同时，在相邻导叶背面尾部也会形成涡团中心，会和尾部较强涡区融合。活动导叶尾迹的流动形态基本和圆柱绕流尾迹相似，当达到一定的雷诺数后就发展成为卡门涡街。而卡门涡街的共振现象将导致整体机组出现噪声过大等问题。此外尾迹的涡系结构中往往包含着相应的主体以及次生一级的涡结构，且二者之间还存在合并分离作用，在能量传递转化过程中会将部分能量转变为震源，这就是水力振动出现的原因。涡系结构最初是在导叶背面的头部和中部位置产生，并逐渐向尾部延伸，涡量总体呈现出对称分布的特点，导叶内部的上下两侧和壁面接触部分会因水流带来的较为强大的冲击力而加大涡量，进一步说明了活动导叶背面附近的水流流动较为紊乱的原因。

2）涡量的分布情况分析。在水轮机固定导叶的出口处至活动导叶的进口处一直存在明显的漩涡和回流问题。目前针对单个导叶表面的流线研究已经能很好地将位于活动导叶头部的流动分流情况予以详细说明[6]。若在导叶头部的迎流一侧出现了一个流动驻点，说明水流在这个部位会划分为两个相反方向的水流，且会从相临近的两个导叶处流入转轮之中。正常情况下，水流在整个流动过程中会因为冲击到固体壁面而引发相应的冲击损失。同时水流对活动导叶的冲击作用也会对导叶摆动过程的稳定性造成一定程度的影响。

3）导叶面的压力分布情况。在正常情况下，活动导叶进水面上往往带有较强的压力，平均压力基本维持在230 kPa左右，水流经过导叶后的压力分布是一种梯度性质的递减变化，由于受相邻导叶头部压力较高的影响，在导叶的中后部压力会有所降低，随后又会出现一种逐渐上升的趋势，此时压力往往会从180 kPa左右瞬间上升到223 kPa左右。涡壳及固定导叶内部形成的速度较低的旋流会在经过活动导叶后转变为旋速较快的环流，在这个环节中产生的能量损失会导致在转化水流能量的过程中出现不稳定问题，继而引发极为强烈的振动问题[7]。

4）转轮叶片展开面速度矢量变化特性分析。转轮叶片展开面速度会随着流量的变化而变化。当水轮机处于制动工况零流量时，叶片间的进口处会存在着较大的回流性质的涡结构，这个回流性质的涡结构会在流量逐步增大的情形下逐渐向叶片出口方向移动并最终消失。在水流量逐渐增加的情形下，当水泵处于零力矩状况时，转轮内部不会有回流性质涡结构的存在。水泵水轮机转轮部分中的叶片属于前倾式性质的叶片，在水轮机制动工况接近零流量时，导叶内部缓慢流动的水会因为转轮的转动而被带入到高速旋转区域中，这个阶段中的动能变化十分巨大，涡壳及导叶内部产生的低速旋流在经过活动导叶出口及转轮叶片进口处的环流后会陡然间变成一个流速较快的流动环流[8]。由于这个速度较快的高速环流自身的流向和转轮叶片进口存在着一个较大的冲角，从而导致在叶片间会产生射流现象，这个高速射流的存在使得在叶片进口处产生了一个低压区，一旦势能超过流体的动能，就会导致叶片进口附近流体产生一个强度较大的涡结构，且这个涡结构会在流量不断提升的情形之下，使转轮内部的失速现象在向着入口快速移动的过程中逐步下降直至消失。

4 结束语

综上所述，水轮机制动区的流动特性对于水轮机的稳定持续运行有着极为关键的影响，本文针对其中的流动规律、涡量的分布情况、导叶面的压力分布及转轮叶片展开面速度矢量变化特性进行了深入分析，希望为水轮机的优化设计及稳定运行提供一定的帮助。