抽水蓄能機組非穩態過程水力穩定性研究綜述

桂中華，肖業祥

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室 & 能源與動力工程系，北京市 100084）

0 引言

和常規水電機組相比，抽水蓄能機組除存在特有的水泵水輪機“S”特性、水泵工況駝峰區穩定性問題外，還存在因為轉速高而造成機組主軸擺度比常規機組大、機組因雙向旋轉、工況復雜以及起停頻繁等特點而更易造成機組內部各種壓力脈動，進而誘發水力穩定性與結構穩定性問題，嚴重時甚至發生水淹廠房等事故。本文對抽水蓄能機組水力穩定性相關的無葉區壓力脈動特性、泵工況駝峰特性、水輪機工況S特性和流固耦合問題等4個方面進行了深入分析，指出了當前抽水蓄能機組水力穩定性與結構穩定性問題研究的不足之處以及今后的研究方向，有利于提高抽水蓄能機組的運行穩定性。

1 水力穩定性問題研究進展

1.1 無葉區壓力脈動特性

水泵水輪機在運行時，轉輪葉片和活動導葉間相互作用形成的壓力脈動（通常稱作無葉區壓力脈動）是引起機組振動、噪聲主要原因之一。為了弄清無葉區壓力脈動特性，部分學者采用數值模擬的方法對原模型無葉區壓力脈動進行分析，發現無葉區壓力脈動頻率成分原模型基本相同，且沿圓周方向壓力脈動規律相似[1]。還有的學者采用數值模擬的方法研究水泵水輪機無葉區壓力脈動傳遞特性，發現無葉區壓力脈動以葉頻的倍頻為主，在向上游（依次為活動導葉、固定導葉、蝸殼）和下游（尾水管）傳播的過程中逐漸減小，但3倍葉頻分量的傳遞特性則不同[2]。盡管數值模擬目前還不能完全精確地模擬壓力脈動的幅值及頻率特性，但由于其可比較相似的模擬各具體部位流態及壓力場，可加深我們對水泵水輪機水力穩定性機理性問題的認識，對壓力脈動產生及傳播機理的深入研究產生了非常巨大的推動作用。

近年來，為了減小流動損失、提高機組效率，在設計水泵水輪機時，會適當減小轉輪及活動導葉間的無葉區，若機組發生動靜干涉現象，則會導致幅值更高、更為強烈的壓力脈動現象[3]，高幅值的壓力脈動引起周期性壓力載荷，最終導致結構件的疲勞破壞。這種現象在一些高水頭混流式水泵水輪機內時有發生。眾多的研究表明，動靜干涉主要受到有勢流相互作用與黏性作用的共同影響。在水泵水輪機內部，影響動靜干涉的因素有很多[4]。首先，活動導葉內切圓直徑與轉輪外徑之比對水泵水輪機動靜干涉和壓力脈動的影響顯著；然后，導葉高度的增加有助于減小無葉區內的壓力脈動幅值；此外，轉輪葉片包角及出流角對動靜干涉和壓力脈動具有一定影響，扭曲葉片的使用有助于降低無葉區內的壓力脈動；最后，機組內部局部間隙或腔體結構對于無葉區壓力脈動也有一定影響。從目前的研究中可以看出，對于動靜干涉影響因素方面的研究較少，大部分研究只針對某種轉輪或某一特殊工況，且主要集中于試驗研究，少有學者采用數值模擬的方法深入探討動靜干涉與壓力脈動的相關機理。

1.2 水泵工況的駝峰特性

在水泵的流量-揚程（Q-H）關系曲線中，通常是負斜率曲線，即dH/dQ＜0。但是，在許多水泵和水泵水輪機的水泵工況，卻常常會見到如圖1所示的“駝峰”曲線，在“駝峰”曲線的正斜率段dHp/dQp＞0，揚程隨流量增加而增加。當水泵水輪機運行在該駝峰區時，揚程線穿過正斜率區谷底上方，則表明當水泵水輪機啟動過程中隨著導葉打開至該開度時，將對應2～3種可能的流量，通常會造成機組輸入功率劇烈擺動及輸水系統的劇烈震蕩，導致機組跳機，嚴重時可能引發機組或輸水系統破壞。到目前為止，少見水泵水輪機因進入駝峰區引起機組事故的報道，但其高揚程區域的不穩定特性確實存在，需在抽水蓄能電站設計及水泵水輪機選擇時給予充分重視，進行優化選擇。

圖1 水泵工況駝峰曲線示意圖Figure 1 Schematic diagram of hump curve of pump mode

大量研究對駝峰特性的機理進行了解釋，對于水泵水輪機的混流式葉輪而言，駝峰現象主要是由于葉輪出口處的回流現象造成的，隨著流量下降，在葉輪出口處的速度沿軸向高度分布變得不均勻，隨后出現回流現象[5][6]。此外，導葉內部的失速也對駝峰的形成產生影響。通過減少葉輪的葉片數、葉片安放角和葉輪出口寬度，或者減小壓水室斷面面積、導葉進口葉片間喉部面積等方法，可以有效消除駝峰現象，但為了兼顧水輪機工況性能，并考慮與導葉的動靜部件耦合作用，使得水泵水輪機泵工況下的流量—揚程駝峰不能完全消除[7][8]。目前國內外研究者對水泵水輪機水泵工況的駝峰特性研究越來越深入，對駝峰產生的機理和特性的認識越來越清晰，但是還沒有明確統一的結論，特別是對于高水頭低比轉速水泵水輪機的駝峰特性研究還較少，對于在運行過程中的參數變化對駝峰特性的影響研究也相對較少[9]。一些研究表明，駝峰特性具有遲滯效應，隨流量增減的變化規律不統一，并與空化所致揚程下降存在相互干涉。綜合而言，水泵水輪機的駝峰特性機理尚待進一步探究[10]。

1.3 水輪機工況的S特性

水泵水輪機在水輪機工況下，全特性曲線存在S特性。發電運行前，水泵水輪機通常處于飛逸狀態，水輪機低水頭啟動工況在S特性區域機組可能快速通過水輪機制動工況進入反水泵區，此時機組由電網吸收功率；當導葉開啟有足夠的流量時機組會轉入水輪機工況，機組開始向電網輸出功率，造成很大的主軸力矩反復[11]。水泵水輪機在水輪機工況從空載到帶負荷受S特性影響很大，嚴重時將導致機組不能由空載直接帶負荷，造成機組水輪機工況并網啟動困難。甩負荷時，S特性也將誘發劇烈的水力振蕩，并引起空載運行不穩定現象[12]。

研究表明，S特性的存在可能引起轉輪進口附近明顯的渦帶以及低頻壓力脈動。S特性的發生與葉片葉型相關，并受到導葉的影響。通過預開部分導葉，增大過流，或通過調整導葉旋轉軸位置，增大過流，均可以改善S特性[13]。大量的現場試驗證明，采用非同步導葉會造成活動導葉出流和轉輪入流不均衡，最典型的副作用是造成機組部件的振動、大軸擺度以及壓力脈動的加劇[14]。同時預開導葉或非同步導葉的采用，在工程上增加了控制系統的復雜性，也增加了日常維護和檢修的工作量[15]。因此，今后的更佳選擇是開發出空載穩定性更好的水泵水輪機，結合恰當的電站參數設計，在不采用非同步導葉條件下獲得穩定的空載特性。綜合目前的研究可知，S特性與導葉葉道堵塞引起的水力損失相關，然而其機理還未完全闡明，沒有統一的學術認識，其產生的不良影響也需要進一步的深入研究。

1.4 流固耦合問題

隨著我國水電機組單機容量的不斷增大和機組的尺寸相應增大，機械剛度相對降低，機組振動擺度大等穩定性問題已成為影響電站安全穩定運行的關鍵技術難題。而對于以高水頭、高轉速、大容量為主要特征的抽水蓄能電站，其機組結構振動問題更為突出。水泵水輪機動靜干涉與壓力脈動，會引起機組結構件的振動；尾水管周期性轉動的渦帶，也可能引起機組的強烈振動[16]。反過來，導葉及轉輪等過流件的振動也會對壓力脈動產生影響。從流固耦合的研究可知，振動較微弱的結構件附近，主要的壓力脈動頻率是葉片通過頻率；而在振動比較強烈的結構件附近，壓力脈動的頻率為振動頻率；越靠近振動結構，流場內的壓力脈動幅值越大。由動靜干涉現象導致的非定常流場通常會引起結構的高周疲勞。由動靜干涉造成的應力集中區域主要集中在葉片的進出水邊與上冠及下環連接處[17]。當疲勞循環次數達到極限后，裂紋在應力集中的位置產生。從國內外這方面的研究來看，對于動靜干涉影響因素方面的研究較少，大部分研究也只針對某種轉輪或某一特殊工況；對于動靜干涉與過流件振動的相互影響機制的研究主要集中于實驗研究，采用數值模擬的方法深入探討二者間的相互作用機制的研究也相對較少[18][19]。另外，目前水泵水輪機或水輪機組中，考慮動靜干涉對轉輪造成的疲勞破壞的研究較多，而討論對其他過流件的影響研究較少。因此，目前需要展開水輪機動靜干涉影響因素的研究，并進一步分析其對水輪機過流部件的影響。

2 相關研究存在的問題及發展方向

總的來說，國內外研究機構對于抽水蓄能機組的工程仿真分析，已開展大量的研究工作，然而，目前存在的不足之處較多。首先，對于特殊工況下機組內部的瞬態流動及其機理的分析較少，比如由動靜干涉、相位共振引發的抽水蓄能機組振動機理研究。其次，仿真計算的精度有限，對于復雜流動工況的湍流模擬準確性有待加強；由于受研究方法和研究條件的限制，當前水力穩定問題研究往往需要簡化計算域模型、假設湍流模型、假定各種邊界條件等，各種簡化與假設一定程度導致模擬結果失真，降低了預測結果的準確性。此外，對水力激勵引起的結構應力響應研究較為有限，對于抽水蓄能機組流固耦合等多物理場的分析較少，尤其缺乏多場耦合的研究方法，難以建立抽水蓄能機組內部流場、各部件結構場、電機電磁場、軸承軸瓦溫度場等物理量之間的宏觀聯系，無法系統性的、行之有效的解決抽水蓄能機組運行中存在的各種綜合性問題。

通過以上分析可以得出，抽水蓄能機組非穩態過程水力穩定性問題仿真研究的重點有：

（1）提高抽水蓄能機組特性數值預測的精度。通過仿真分析構建數值模擬預測與真機、模型機等測試系統的聯系，實現更為合理、更為全面的模擬—實測對比分析，在減少局部邊界假定和算法假設的基礎上，提高可能存在的邊界處物理條件的真實性，減小由此可能產生的計算誤差，提高抽水蓄能機組數值計算的精度。

（2）建立抽水蓄能機組多相流動多場耦合仿真分析平臺，開展抽水蓄能機組系統性分析，對機組運行過程中的瞬變、不穩定流動特征進行更準確的分析，有助于解決由于機組高水頭、大容量、高轉速、高能量密度、工況頻繁轉換、機組頻繁啟停等造成的穩定性問題，滿足我國抽水蓄能機組的發展需求。

3 結束語

由于當前數值仿真計算的精度有限，以及忽略多物理場耦合影響等原因，CFD預測值與測試值之間仍存在一些誤差，導致數值計算在解決抽水蓄能機組穩定性問題方面還存在一定的不足，影響了仿真結果工程應用的效果。

隨著我國抽水蓄能電站建設步伐的加快，迫切需要進一步完善數值仿真研究方法，構建抽水蓄能多相流動、多場耦合仿真平臺，更為準確、系統性地診斷分析抽水蓄能機組內部單/多相流動特征、脈動特性與水力激勵、各部件結構響應特性等問題，為抽水蓄能機組的選型、設計及運行提供相關理論方法和技術支持。