发电转速对刘老涧抽水站泵装置运行稳定性的影响

戴景　蒋涛　刘雪芹　黄从兵　卜舸　仲子夜　许锋　戴启璠

摘要：为了研究带有簸箕型流道的立式轴流泵装置反向发电时的水力性能，以刘老涧抽水站泵装置为研究对象，采用CFX数值模拟与泵装置模型试验相结合的研究方法，对带有簸箕型流道的立式轴流泵装置进行了反向发电工况全流场数值模拟计算，获得了机组的发电效率、流量等外特性参数以及流道内涡带的演化规律。研究结果表明：① 刘老涧抽水站反向发电装置效率与发电转速有关，全速发电时，最高效率为42.7%;75%转速发电时，最高效率为47.2%;60%转速发电时，最高效率为51.3%。② 全速发电时，水泵叶轮叶片的表面载荷分布曲线存在突变。③ 不同的发电转速在簸箕型流道内均会产生尾水管涡带并引起低频水压脉动，而且水压脉动的幅值与涡带强度随着发电转速的增加而增加。研究成果可为今后开展该类泵站的泵装置设计及运行提供一定参考。

关键词：簸箕型流道; 泵装置; 反向发电; 刘老涧抽水站

中图法分类号： TV675

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.035

0引 言

泵站發电广泛应用于平原地区的低扬程泵站中，这类泵站在规划设计之初完全是按照泵进行设计，工程建成后根据当地的实际需求，在丰水季节利用多余的水进行反向发电，以提高水资源的利用率[1-2]。

刘老涧抽水站竣工于1996年，水泵叶轮的直径为3.1 m，是国内第一座采用簸箕型流道的具有反向发电功能的大型低扬程泵站[3-4]。 目前，针对泵站反向发电的研究主要集中在发电方式及其运行稳定性方面。比如，戴景等[5]通过对南水北调东线洪泽站的水泵装置进行反向发电的数值计算，发现在大型立式轴流泵站反转发电时，会在进水流道内出现类似于水轮机中尾水管涡带的流动现象;周颖等[6]通过数值计算与模型试验，发现轴流泵反转发电时，压力脉动幅值随着空化系数的减小而增大，空化系数越小转轮的不稳定性就会加剧;魏强林等[7]通过对江都三站反向发电实际运行情况开展的研究，发现采用变频发电方式可以提高发电效率并且不会影响水泵工况的装置效率;戴景[8]通过对淮安三站四象限电子变频灯泡贯流泵装置的飞逸过渡过程开展数值模拟，结果发现该泵站在反转发电时，机组最大出力对应的水泵叶轮转速约为水泵额定转速的60%;李之帆[9]借助于数值模拟的方法，得到了轴流泵做液力透平时最优工况与做水泵运行时最优工况之间的关系，并给出了具体的比例关系。

刘老涧抽水站是目前已经建成投运的唯一一座采用簸箕型流道的具有反向发电功能的泵站。在设计之初，刘老涧抽水站单泵的设计流量偏大，流量系数达到了0.224[10-12]，远高于南水北调一期工程以及引江济淮工程新建泵站的流量系数。当泵站在反向发电运行时，簸箕型流道成了水轮机的尾水管，对这种结构的尾水管以及泵型的水力性能方面的研究几乎为空白。为此，本文结合刘老涧抽水站改造工程，对采用簸箕型流道的大型低扬程泵装置的反向发电工况的水力性能进行了初步的研究，研究成果可为今后该类泵站的设计运行提供一定的参考。

1泵站概况

在对刘老涧抽水站进行技术改造的过程中，保持了原簸箕形进水流道和虹吸式出水流道型线和尺寸不变。该抽水站的原型泵的叶轮直径为3.1 m，转速为136.4 r/min，单泵设计流量为37.500 0 m3/s;模型泵的叶轮直径为0.3 m，转速为1 409.5 r/min，对应的设计流量为0.351 2 m3/s。刘老涧抽水站设计净扬程为3.7 m，最大净扬程为3.7 m，平均净扬程为3.4 m。图1为刘老涧抽水站站身的纵剖面图。

2三维模型与数值计算方法

2.1三维模型

图2为刘老涧抽水站原型泵装置的三维图，刘老涧抽水站采用的是TJ04-ZL-06水力模型，水泵叶轮的叶片数为3片，导叶的叶片数为5片，原型水泵叶轮的直径为3 100 mm。

2.2网格划分

刘老涧抽水站泵装置总共可以分为簸箕型进水流道、叶轮、导叶、虹吸式出水流道4个部分。对于叶轮与导叶部分，均在TurboGrid中进行结构网格划分;对于虹吸式流道部分，在ICDM-CFD中进行结构网格划分;对于簸箕型流道部分，由于其结构复杂而在ICEM-CFD中进行六面体核心非结构网格划分[13]。叶轮与导叶的网格结构如图3所示。

2.3数值计算前处理设置

在开展水轮机工况数值计算时，进口边界条件采用的是压强，出口边角条件采用的是自由出流即“Opening”，壁面函数采用的是光滑无滑移系数。在进行定常计算时，将静止域之间的交界面设置为“None”，将旋转域与静止域之间的交界面设置为“Stage”。对于非定常数值计算，是以定常数值计算结果为初始状态，叶轮每旋转1°计算一次流场，非定常数值计算的总时间为叶轮旋转20圈的用时。

3泵装置模型试验

原型水泵叶轮直径为3.1 m，模型泵叶轮直径为0.3 m，模型比为10.33。原型泵叶轮的转速为136.4 r/min，根据等nD相似换算得到模型泵装置叶轮的转速为1 409.5 r/min。泵装置由簸箕型进水流道、水泵叶轮、后导叶和虹吸式出水流道共同构成，对全部过流部件均按照同一模型比进行缩小后，再加工成模型泵装置。安放在试验台上的模型泵装置如图4所示。

图5为刘老涧抽水站水轮机工况泵装置的外特性数值模拟值与模型试验换算至原型值[14-16]的对比。在设计工况下，泵装置水轮机工况的外特性数值模拟结果与模型试验结果吻合度较高，泵装置效率与流量的相对误差均小于0.6%。综上所述，本文数值模拟结果与模型试验结果吻合度较高，数值模拟能够较为准确地反映泵装置的水力性能。

4结果与分析

4.1不同发电转速下泵装置的能量特性

刘老涧抽水站的反向发电装置效率与发电转速密切相关，如图6所示。当水泵叶轮转速较高时，泵装置的效率较低;而当叶轮转速降低时，泵装置的发电效率会显著上升。值得注意的是，泵装置的发电效率的高效区同样会受叶轮转速的影响，高转速的时候高效区偏向低水头方向，低转速的时候高效区偏向高水头方向。流量随转速的变化则基本上是单调的，水头相同时，转速越高泵装置的流量越大，而相同转速时，流量随水头的变化基本上是单调递增的。

4.2不同发电转速水泵叶轮叶片表面载荷分布

图7为轴流泵叶片表面流线分布示意图。从叶片轮毂侧至叶片外缘侧依次划分为Span=0.05、Span=0.50、Span=0.95共3条流线。

不同的发电转速对水泵叶轮叶片的表面载荷分布有着较为明显的影响。如图8所示，高转速时，水泵叶轮叶片工作面与背面的载荷分布曲线的差值要大于低转速时的差值。工作面与背面的载荷差值直接反映了叶片对外做功的能力，相同水头下转速越高叶片对外做功能力越差。同一工况下，水泵叶轮叶片外缘的载荷分布曲线的工作面与背面的差值大于靠近轮毂侧流线上的载荷差值，这说明叶片外缘流线的做功能力大于叶片靠近轮毂侧流线的做功能力;高转速时，水泵

叶轮叶片表面载荷分布曲线上出现了明显的“不平滑”现象，这说明流线上的载荷分布并不是均匀

的，可以进一步地说明此时叶片表面的流动出现了脱流、旋涡等不良流态[17]。这一点叶片外缘的流线比叶片轮毂侧的流线更为严重，而转速较低时载荷突变这

种情况几乎没有。显然，降低水泵叶轮发电转速，有利

于提高水泵叶轮内部流动稳定性。

4.3簸箕型流道内部流动特性

相同发电水头下，转速越高簸箕型流道内的流线越紊乱。如图9所示，尤其是在簸箕型流道的鼻端，转速越高时鼻端的旋涡越明显，回流也越强，这也直接导致了高转速时簸箕型流道的水力损失越高。当发电转

速降低时，泵装置的流量也在减小，簸箕型流道内的流态有了明显的改善，在簸箕型流道的鼻端未见明显的旋涡与回流等不良流态，低转速时整个簸箕型流道内流态较为平顺。这也说明，发电转速的降低有利于改善簸箕型流道内部流动特性。

4.4簸箕型流道内部水压脉动

图10为非定常数值计算水压脉动监测点的示意图。

为了定量地描述监测点的水压脉动特性，引入了压力脉动系数Cp[18]。如图11所示，当监测点位置靠近叶轮室时，水压脉动的主频以1倍的叶片通过频率为主，但幅值随着叶轮转速的增加而增加;当监测点的位置逐渐远离叶轮室时，水压脉动的主频出现了明显的下降，主频值约为0.45 Hz，这一数值已经远远低于水泵叶轮叶片的通过频率，而更接近根据村上光清经验公式[19]计算得到的水轮机尾水管涡带引起的低频水压脉动的主频值，即主频约为转速的1/240，这一频率特性在不同转速下均会出现，但幅值则随着转速的增加而增加。

综上所述，刘老涧抽水站在反向发电运行时，即使发电转速不同，但在喇叭管底部至簸箕型流道内均出现了类似由水轮机尾水管涡带引起的低频水压脉動，而且幅值受转速单调影响，转速越高幅值越大。

4.5簸箕型流道内涡带

刘老涧抽水站不同转速反向发电时在簸箕型流道内均出现了明显的涡带。如图12所示，与水轮机尾水管涡带[20]以及带有肘形流道反向发电泵站不同的是，由于簸箕型流道的结构特殊性，簸箕型流道内的涡带并不是一个完整的涡带，而是在中隔墩与流道下底板的共同作用下被破碎成若干个较小的涡带，这种流动特性不仅降低了尾水管本应有的水力功能，更是由于流态的紊乱容易诱发水力振动;簸箕型流道内的涡带随着转速的增加也在逐渐增强。

5结 论

（1） 刘老涧抽水站改造后的泵装置可以反向发电运行，但需要对泵装置的发电转速进行调节，如采用变频机的机械变频方式，较低的发电转速不仅可以获得较高的发电效率，同时还可以提高泵装置的流动稳定性。

（2） 反向全速发电时，从叶轮叶片表面载荷分布曲线上可以判断出水泵叶轮叶片表面会出现脱流的情况，由于叶轮是重要的功能转换部件，叶轮叶片表面的脱流会引起水泵的喘振。

（3） 反向发电时，簸箕型流道内出现了类似于水轮机尾水管涡带的流动情况，并在喇叭管底部至簸箕型流道内产生了低频水压脉动。但由于流道结构形式的特殊，主涡带在中隔板的影响下被破碎成若干较小的涡带，在簸箕型流道内产生旋涡、回流等不良流态，然而随着发电转速的降低，这种不良流态得到一定程度的改善。

（4） 簸箕型流道由于结构的特殊性，并不适用于具有反向发电功能的大型泵站。

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（編辑：赵秋云）

Abstract：In order to study the hydraulic performance of the pump device when the vertical axial flow pump device with the dustpan-type channel generates power reversely，taking the pump device of Liulaojian Pumping Station as the research object，the CFX numerical simulation and the pump device model test were combined to conduct numerical calculation of the whole flow field.The external characteristic parameters such as the power generation efficiency and flow rate of the unit and the evolution law of the vortex belt in the flow channel were obtained.The results showed that the efficiency of reverse power generation device was related to the power generation rotation speed，the maximum efficiency was 42.7% at full speed，47.2% at 75% speed and 51.3% at 60% speed.There was a mutation in the surface load distribution curve of the pump impeller blade under full speed power generation.Vortex band of draft tube and low frequency water pressure fluctuation were produced in dustpan channel under different power generation speed，and the amplitude and intensity of water pressure fluctuation increased with the increase of power generation speed.

Key words：dustpan channel;pump device;reverse power generation;Liulaojian Pumping Station