水泵水輪機內部流動及水力特性分析

朱文辰 顧志偉 周哲軒

摘 要：在我國社會經濟不斷發展的過程中，電力系統等基礎設施進一步得到完善。為了使抽水蓄能機組應用性能得到改善，許多部門開始采用傳統水泵與水輪機串聯的蓄能機組結合方式，該技術具有成本低、重量低等特點。本文對水泵水輪機具體的應用原理進行了介紹，深入分析了水泵水輪機的水力特性與內部流動特性。

關鍵詞：水力特性；內部流動；水泵水輪機

電站的正常運行離不開水泵水輪機的支持。然而，我國水泵水輪機無論在研究還是在應用方面均起步較晚，相關設計經驗與設計內容主要來自國外現有技術。該技術雖然能夠應對水泵水輪機在應用初期階段的不足，但是在水泵水輪機的生產設計方面尚未達到完全的國有化水平。

一、水泵水輪機概述

水泵水輪機屬于動力設備的一種，其作用是抽水蓄能，在具體應用過程中水泵水輪機主要會呈現出兩種運行狀態，將在發揮泵的功能時輪呈正向旋轉，在發揮水輪機功能時轉輪呈反向旋轉。根據當前水泵水輪機的設計思路可以發現，其內部關鍵性部件與結構往往具有比較大的相似性，增加水泵水輪機單機容量與提升轉速比是未來一段時間內水泵水輪機設備主要的發展方向。根據水流途徑對水泵水輪機的類型進行劃分，其具體類型主要包含貫流式、斜流式以及混流式。其中設計結構最為簡單的水泵水輪機為混流式，能夠在與多種水頭共同搭配的情況下進行運作，該類型的水泵水輪機的應用范圍也最為廣泛。斜流式水泵水輪機生產成本偏高、設計相對復雜，但是工作效率比較高，由于機械內部結構比較特殊，其應用場景也比較局限。貫流式水泵水輪機是當前我國最為先進的一種水泵水輪機，其功能強大并且單機容量高，主要應用于潮汐電站的抽水蓄能中。

二、水泵水輪機內部設計

（一）水泵水輪機水力設計

水泵水輪機的導水與引水設計即水力設計，這部分的設計工作直接影響著水泵水輪機的運行性能與內部結構，做好這方面的設計工作也是保證水泵水輪機綜合性能的重要前提。設備引水進程主要依賴蝸殼，導水機在蝸殼的作用下能夠獲取充足且均勻的水流量。為了使蝸殼工作性能得到提升，對于蝸殼的設計逐漸以降低斷面為目標，在蝸殼運行過程中能夠產生一定的環量使導水機的運行壓力得到有效緩解。在對蝸殼進行設計時，軸向速度與圓周速率夾角、截面環量兩項是最為重要的參數，在設計過程中，所需要的全部數據得到全面采集后，需要根據現有既定公式進行嚴格的計算。水流的方向由導葉來負責調整，復雜的導葉結構是推動水泵水輪機內部水流進出的重要結構，因此對于頭部導葉結構和尾部導葉結構并未設置明確的界限。依照物理學理論對于速度的解釋，在導葉入口有水流通過的情況下，水流的速度方向會發生變化，這種變化一方面體現在徑向速度上，另一方面體內在切向速度上。在得到相關參數后，根據現有的公式可以計算出需要納入設計參考范圍的全部數據。借助計算機以及相關軟件對各項數據進行三維建模處理，能夠將設計過程中所產生的誤差控制在最小范圍內，使機械性能得到完善。

（二）水泵水輪機葉片設計

投入水泵水輪機葉片設計的有關參數主要來自于蓄電廠當前的運行狀態，設計人員在收集相關數據的過程中需要對水流的流動情況有一個全面的了解。依照當前工況對相關參數進行確定后，還需要對轉輪葉片的下環與上冠輪廓線進行模擬，根據模擬結果對流道過流斷面面積進行設計，再根據等面積法的相關理論對軸面流線進行計算，在擬定進口流道分布與活動導葉開度后對環量與出口流動角進行計算，再根據轉輪葉片模擬結果對水流速度進行設計，在確定結構基本數據之后，依照葉片歐拉能力分布為標準來評判數據的合理性，若與實際相符，則可以對葉片的厚度分布進行確定，若出現與設計要求不符合的情況，需要依照之前的步驟重新進行設計，一定要在與設計要求相符的情況下才可以結束計算。在對葉片厚度進度確定之后，再根據該參數對冀型結構進行設計，冀型設計中葉片骨線角分布與截面子午面投影分布是兩個十分重要的參數，這兩項參數主要應用于截面冀型物理量分布的計算，在參數與設計要求相符合的情況下，以先前所制定的設計方案為模板，對冀型坐標進行求解。

三、水泵水輪機水力特性與內部流動特性

水泵水輪機水力特性與內部流動特性涉及到多個結構的計算，其中葉片、導葉以及蝸殼需要在CFD軟件的支持下才能夠模擬相關數值，并且需要在充分解析網格質量的前提下才能夠生成網格。設計人員需要嚴格對待所選擇的收斂模型、網格密度以及網格尖角。在通過離散公式對能量、流量以及過流面積進行計算時，工況三維計算、量綱的模擬以及單位都是十分重要的數據。對過流面積進行計算時，需要事先采集過流斷面上的流量積分與面積積分，對能量分布進行計算時需要事先對坐標系進行確定，對各個方向的速度分量進行分步采集，以無量綱化的形式對能量與速度的建模結果進行轉化，這樣能夠使設計結果不受度量單位的影響。

四、結語

電路系統是居民生活、工業生產正常運行的基本保證。尤其是在我國城鎮化建設不斷發展、用電需求不斷增加的大背景下，抽水蓄電更加經濟也更加環保。因此，電力企業需要對水泵水輪機的運行特點進行深入的研究與分析，對相關技術進行進一步的更新，提高發電效率。

參考文獻：

[1]李威.水泵水輪機“S”區的瞬態特性研究[D].哈爾濱工業大學，2016.

[2]劉星星.水泵水輪機過渡過程半實物仿真平臺的軟件設計與實現[D].華中科技大學，2013.

[3]舒崚峰.水泵水輪機駝峰區與“S”區數值模擬研究[D].哈爾濱工業大學， 2013.