哈电混流式水泵水轮机长短叶片转轮水力研发及进展

2016-01-18王焕茂覃大清魏显著陈元林

水电与抽水蓄能 2016年3期

王焕茂，覃大清，魏显著，赵越，陈元林

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040）

1 前言

近期，我国在建了多座高水头、大容量的抽水蓄能电站，这些电站的建成将有力地保证电力系统的有效运行，显著提高电力系统的稳定性，将在电力系统中占据着重要的地位。但是这些电站中的水泵水轮机比速低，流道狭窄，转轮直径大，水流速度高，其水力性能的进一步提高有很大的难度。低比转速的水泵水轮机，由于转轮直径大，圆盘损失很大，一般占3%～4%；同时较高的流速也引起了叶片高强度的空化问题和强烈的动静干涉现象，从而给电站机组的高效稳定运行带来了很多问题。

相对于常规7叶片和9叶片的水泵水轮机转轮来说，长短叶片转轮具有以下优势：长短叶片转轮由于叶片数较常规转轮多，能够有效减小水泵工况叶片出口的滑移，使得流量扬程曲线的斜率增加，有效提高泵工况驼峰裕度，从而可以使得真机直径可以选的更小些；对水泵水轮机而言，较小的真机直径可以大大减小转轮的圆盘摩擦损失，使得真机的效率得到有效提高；对于水泵工况，较大流量扬程曲线斜率会大大减小水泵运行流量范围，从而大大提高水泵工况的空化性能；对水轮机工况来说，较小的真机直径会使水轮机工况运行范围向最优效率点移动，有利于水轮机工况加权效率的提高，同时也使得水轮机工况无叶区压力脉动得到有效降低；较小的真机直径可以有效提高水泵水轮机“S”区安全余量，从而提高过渡过程工况运行稳定性。

哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称“哈电”）从2009年开始，进行了混流式水泵水轮机长短叶片转轮的水力研发，经过多个水头段长短叶片转轮的研发，取得了重要进展，形成了具有自主知识产权的混流式水泵水轮机长短叶片转轮水力研发技术。

2 400～500m水头段水泵水轮机长短叶片转轮的水力研发

2.1 相关设计参数

以某400～500m水头段抽水蓄能电站水泵水轮机的水力研发为依托，进行了长短叶片转轮的研发。该电站的相关设计参数如表1所示。

表1 电站设计参数

根据该电站设计参数，进行了4个长短叶片转轮方案的水力优化设计，各方案水泵水轮机模型转轮几何参数如表2所示。

表2 长短叶片转轮几何参数

2.2 水力优化设计

CFD数值模拟技术的进展使得水力机械性能的预测更为准确，对长短叶片水泵水轮机的水力研发来说，可以更为容易地对长短叶片进行优化设计，从而达到更好的水力性能。图1为用于长短叶片转轮水力优化设计的网格域。

各计算域网格节点数的分配，如表3所示。

图1 长短叶片转轮水力优化设计的网格域

表3 网格节点数分配

在确定数值模拟的边界条件时，计算域的进口边界条件采取质量流量进口，进口处紊动能设为进口处平均动能的5%；出口边界条件采取平均静压出口，相对压力设为0Pa；固壁边界条件采用壁面速度无滑移，近壁区边界条件采用壁面函数计算速度值和k、ε的值。

在本电站水泵水轮机水力设计中，难点在于电站对驼峰区安全裕度要求高，水泵工况最小限制流量偏大，这就要求水泵流量系数与压力系数曲线斜率要大，并保证较小的水泵工况最大入力；水轮机工况加权点权值分布偏向部分负荷，对加权效率要求较高，需要进一步提高水轮机工况能量性能；同时该电站也对水泵水轮机无叶区压力脉动水平提出了较高的要求。该电站对长短叶片水泵水轮机转轮的水力优化设计提出了很大的挑战。

图2～图5为不同方案长短叶片转轮水力性能的数值模拟曲线。由图2可以看出，方案3的曲线斜率最大，方案1、2、4的斜率基本一致，但是方案3、4对应的最小流量要大于方案1、2的。在图3中，方案1、2的水泵最大入力明显大于方案3、4的最大入力。在图4中，四个方案水泵小流量工况空化裕度均较大，而在大流量工况方案4的裕度最大，其余3个方案空化性能相当；而在图5 水轮机最优单位转速效率曲线的比较中，方案2的高效运行区范围较宽，方案4的最优效率最高。总体比较而言，方案2的水力优化设计要优于方案1的，而方案4的要优于方案3的；方案4的整体性能要优于方案2。根据数值模拟的结果，选择方案2和方案4的长短叶片转轮进行了模型试验。

2.3 模型试验

模型试验在哈电高水头试验4台进行，该台试验最高水头80m，试验流量范围0～0.8 m3/s，水力试验4台的试验能力、可安装的模型的尺寸、水力性能的测试方法及试验用水均符合IEC和GB有关规程的要求，试验台综合误差小于±0.2%。

图2 不同方案流量系数与压力系数曲线

图3 不同方案水泵工况功率曲线

图4 不同方案水泵空化性能曲线

图5 不同方案水轮机工况最优单位转速下效率曲线

图6 ～图11为方案2与方案4模型试验结果。从中可以看出，前面CFD数值模拟结果与模型试验具有很好的一致性。由图6可以看出，方案4的流量系数与压力系数曲线斜率较方案2的大，方案4对应的最小流量也远大于方案2的，方案4的优化设计更好地满足了电站相关性能要求；由图7可以看到，与方案2相比，方案4水泵工况效率有了明显提高；由图8可以看出，方案4水泵工况最大入力也比方案2的小；如图9所示，方案4与方案2的水泵空化性能相当；综上，方案4的水泵性能较方案2的得到了明显的提高。如图10所示，方案4水轮机工况效率也比方案2有了大幅提高；由图11则可以看出，在额定水头下，方案4无叶区压力脉动幅值比方案2有了大幅降低；方案4水轮机工况性能要全面好于方案2。

图6 不同方案流量系数与压力系数包络线

图7 不同方案水泵工况效率包络线

在400～500m水头段水泵水轮机长短叶片转轮的水力研发中，通过设计理念及方法的创新，经过多轮水力优化设计和模型试验研究，水泵水轮机长短叶片转轮水力研发取得了重要进展，从而为后续长短叶片转轮水力研发的深入进行奠定了坚实基础。

图8 不同方案水泵工况功率模型试验曲线

图9 水泵工况空化比较曲线

图10 水轮机工况最优单位转速下效率比较曲线

图11 额定水头下无叶区压力脉动比较曲线

3 600～700m水头段水泵水轮机长短叶片转轮的研发

3.1 相关设计参数

在400～500m水头段水泵水轮机长短叶片转轮研发取得重要进展的基础上，对600～700m超高水头、大容量水泵水轮机长短叶片转轮进行研发。依托电站的相关参数如表4 所示。

表4 电站设计参数

在该电站水泵水轮机水力研发中，进行了不同叶片数转轮方案的水力优化设计，包括7叶片转轮、9叶片转轮、5长5短叶片转轮和6长6短叶片转轮，所有的转轮均具有良好的性能，都满足电站工程要求。不同叶片数转轮方案的几何参数如表5所示。

表5 不同叶片数转轮几何参数

该电站水头变幅较大，水泵工况最高扬程与水轮机工况最小水头的比值Hpmax/Htmin=1.152。较大的水头变幅，使得水泵水轮机无叶区压力脉动保证变得相对困难，同时也给“S”区安全裕度保证带来了不小的难度。在该项目中开发的不同叶片数的水泵水轮机能量性能均能满足电站要求，下面着重对不同叶片数水泵水轮机的无叶区压力脉动特性和“S”特性进行比较和说明。

3.2 模型试验结果

各转轮的模型试验在哈电高水头试验6台进行，该台试验最高水头100m，试验流量范围0～1m3/s，试验台综合误差小于±0.2%。

图12～图14为不同叶片数转轮方案压力脉动和“S”特性的模型试验结果。图12为不同叶片数转轮方案水泵工况无叶区压力脉动的比较；图13为水轮机工况额定水头下无叶区压力脉动的比较；图14为不同叶片数转轮方案“S”区临界开度及安全裕度的比较，图中各曲线为不同叶片数转轮“S”区临界开度下N11-T11曲线。由图12和图13可以看出，随着叶片数的增多，水泵水轮机无叶区压力脉动幅值随之降低，长短叶片转轮在降低水泵水轮机无叶区压力脉动幅值上具有明显的优势；由图14可以看出，设计合理的水泵水轮机转轮，不论叶片数几何，都可以做到“S”区具有足够的安全裕度。在模型试验中，还可借助频谱分析对水泵水轮机各特征工况、特定位置压力脉动的频率进行深入分析，但是水泵水轮机压力脉动频率与电站固有频率的关系还需要进行认真研究。