哈電混流式水泵水輪機長短葉片轉輪水力研發及進展

2016-01-18 03:35:28王煥茂覃大清魏顯著陳元林

水電與抽水蓄能 2016年3期

王煥茂，覃大清，魏顯著，趙越，陳元林

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

1 前言

近期，我國在建了多座高水頭、大容量的抽水蓄能電站，這些電站的建成將有力地保證電力系統的有效運行，顯著提高電力系統的穩定性，將在電力系統中占據著重要的地位。但是這些電站中的水泵水輪機比速低，流道狹窄，轉輪直徑大，水流速度高，其水力性能的進一步提高有很大的難度。低比轉速的水泵水輪機，由于轉輪直徑大，圓盤損失很大，一般占3%～4%；同時較高的流速也引起了葉片高強度的空化問題和強烈的動靜干涉現象，從而給電站機組的高效穩定運行帶來了很多問題。

相對于常規7葉片和9葉片的水泵水輪機轉輪來說，長短葉片轉輪具有以下優勢：長短葉片轉輪由于葉片數較常規轉輪多，能夠有效減小水泵工況葉片出口的滑移，使得流量揚程曲線的斜率增加，有效提高泵工況駝峰裕度，從而可以使得真機直徑可以選的更小些；對水泵水輪機而言，較小的真機直徑可以大大減小轉輪的圓盤摩擦損失，使得真機的效率得到有效提高；對于水泵工況，較大流量揚程曲線斜率會大大減小水泵運行流量范圍，從而大大提高水泵工況的空化性能；對水輪機工況來說，較小的真機直徑會使水輪機工況運行范圍向最優效率點移動，有利于水輪機工況加權效率的提高，同時也使得水輪機工況無葉區壓力脈動得到有效降低；較小的真機直徑可以有效提高水泵水輪機“S”區安全余量，從而提高過渡過程工況運行穩定性。

哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱“哈電”）從2009年開始，進行了混流式水泵水輪機長短葉片轉輪的水力研發，經過多個水頭段長短葉片轉輪的研發，取得了重要進展，形成了具有自主知識產權的混流式水泵水輪機長短葉片轉輪水力研發技術。

2 400～500m水頭段水泵水輪機長短葉片轉輪的水力研發

2.1 相關設計參數

以某400～500m水頭段抽水蓄能電站水泵水輪機的水力研發為依托，進行了長短葉片轉輪的研發。該電站的相關設計參數如表1所示。

表1 電站設計參數

根據該電站設計參數，進行了4個長短葉片轉輪方案的水力優化設計，各方案水泵水輪機模型轉輪幾何參數如表2所示。

表2 長短葉片轉輪幾何參數

2.2 水力優化設計

CFD數值模擬技術的進展使得水力機械性能的預測更為準確，對長短葉片水泵水輪機的水力研發來說，可以更為容易地對長短葉片進行優化設計，從而達到更好的水力性能。圖1為用于長短葉片轉輪水力優化設計的網格域。

各計算域網格節點數的分配，如表3所示。

圖1 長短葉片轉輪水力優化設計的網格域

表3 網格節點數分配

在確定數值模擬的邊界條件時，計算域的進口邊界條件采取質量流量進口，進口處紊動能設為進口處平均動能的5%；出口邊界條件采取平均靜壓出口，相對壓力設為0Pa；固壁邊界條件采用壁面速度無滑移，近壁區邊界條件采用壁面函數計算速度值和k、ε的值。

在本電站水泵水輪機水力設計中，難點在于電站對駝峰區安全裕度要求高，水泵工況最小限制流量偏大，這就要求水泵流量系數與壓力系數曲線斜率要大，并保證較小的水泵工況最大入力；水輪機工況加權點權值分布偏向部分負荷，對加權效率要求較高，需要進一步提高水輪機工況能量性能；同時該電站也對水泵水輪機無葉區壓力脈動水平提出了較高的要求。該電站對長短葉片水泵水輪機轉輪的水力優化設計提出了很大的挑戰。

圖2～圖5為不同方案長短葉片轉輪水力性能的數值模擬曲線。由圖2可以看出，方案3的曲線斜率最大，方案1、2、4的斜率基本一致，但是方案3、4對應的最小流量要大于方案1、2的。在圖3中，方案1、2的水泵最大入力明顯大于方案3、4的最大入力。在圖4中，四個方案水泵小流量工況空化裕度均較大，而在大流量工況方案4的裕度最大，其余3個方案空化性能相當；而在圖5 水輪機最優單位轉速效率曲線的比較中，方案2的高效運行區范圍較寬，方案4的最優效率最高。總體比較而言，方案2的水力優化設計要優于方案1的，而方案4的要優于方案3的；方案4的整體性能要優于方案2。根據數值模擬的結果，選擇方案2和方案4的長短葉片轉輪進行了模型試驗。

2.3 模型試驗

模型試驗在哈電高水頭試驗4臺進行，該臺試驗最高水頭80m，試驗流量范圍0～0.8 m3/s，水力試驗4臺的試驗能力、可安裝的模型的尺寸、水力性能的測試方法及試驗用水均符合IEC和GB有關規程的要求，試驗臺綜合誤差小于±0.2%。

圖2 不同方案流量系數與壓力系數曲線

圖3 不同方案水泵工況功率曲線

圖4 不同方案水泵空化性能曲線

圖5 不同方案水輪機工況最優單位轉速下效率曲線

圖6 ～圖11為方案2與方案4模型試驗結果。從中可以看出，前面CFD數值模擬結果與模型試驗具有很好的一致性。由圖6可以看出，方案4的流量系數與壓力系數曲線斜率較方案2的大，方案4對應的最小流量也遠大于方案2的，方案4的優化設計更好地滿足了電站相關性能要求；由圖7可以看到，與方案2相比，方案4水泵工況效率有了明顯提高；由圖8可以看出，方案4水泵工況最大入力也比方案2的小；如圖9所示，方案4與方案2的水泵空化性能相當；綜上，方案4的水泵性能較方案2的得到了明顯的提高。如圖10所示，方案4水輪機工況效率也比方案2有了大幅提高；由圖11則可以看出，在額定水頭下，方案4無葉區壓力脈動幅值比方案2有了大幅降低；方案4水輪機工況性能要全面好于方案2。

圖6 不同方案流量系數與壓力系數包絡線

圖7 不同方案水泵工況效率包絡線

在400～500m水頭段水泵水輪機長短葉片轉輪的水力研發中，通過設計理念及方法的創新，經過多輪水力優化設計和模型試驗研究，水泵水輪機長短葉片轉輪水力研發取得了重要進展，從而為后續長短葉片轉輪水力研發的深入進行奠定了堅實基礎。

圖8 不同方案水泵工況功率模型試驗曲線

圖9 水泵工況空化比較曲線

圖10 水輪機工況最優單位轉速下效率比較曲線

圖11 額定水頭下無葉區壓力脈動比較曲線

3 600～700m水頭段水泵水輪機長短葉片轉輪的研發

3.1 相關設計參數

在400～500m水頭段水泵水輪機長短葉片轉輪研發取得重要進展的基礎上，對600～700m超高水頭、大容量水泵水輪機長短葉片轉輪進行研發。依托電站的相關參數如表4 所示。

表4 電站設計參數

在該電站水泵水輪機水力研發中，進行了不同葉片數轉輪方案的水力優化設計，包括7葉片轉輪、9葉片轉輪、5長5短葉片轉輪和6長6短葉片轉輪，所有的轉輪均具有良好的性能，都滿足電站工程要求。不同葉片數轉輪方案的幾何參數如表5所示。

表5 不同葉片數轉輪幾何參數

該電站水頭變幅較大，水泵工況最高揚程與水輪機工況最小水頭的比值Hpmax/Htmin=1.152。較大的水頭變幅，使得水泵水輪機無葉區壓力脈動保證變得相對困難，同時也給“S”區安全裕度保證帶來了不小的難度。在該項目中開發的不同葉片數的水泵水輪機能量性能均能滿足電站要求，下面著重對不同葉片數水泵水輪機的無葉區壓力脈動特性和“S”特性進行比較和說明。

3.2 模型試驗結果

各轉輪的模型試驗在哈電高水頭試驗6臺進行，該臺試驗最高水頭100m，試驗流量范圍0～1m3/s，試驗臺綜合誤差小于±0.2%。

圖12～圖14為不同葉片數轉輪方案壓力脈動和“S”特性的模型試驗結果。圖12為不同葉片數轉輪方案水泵工況無葉區壓力脈動的比較；圖13為水輪機工況額定水頭下無葉區壓力脈動的比較；圖14為不同葉片數轉輪方案“S”區臨界開度及安全裕度的比較，圖中各曲線為不同葉片數轉輪“S”區臨界開度下N11-T11曲線。由圖12和圖13可以看出，隨著葉片數的增多，水泵水輪機無葉區壓力脈動幅值隨之降低，長短葉片轉輪在降低水泵水輪機無葉區壓力脈動幅值上具有明顯的優勢；由圖14可以看出，設計合理的水泵水輪機轉輪，不論葉片數幾何，都可以做到“S”區具有足夠的安全裕度。在模型試驗中，還可借助頻譜分析對水泵水輪機各特征工況、特定位置壓力脈動的頻率進行深入分析，但是水泵水輪機壓力脈動頻率與電站固有頻率的關系還需要進行認真研究。