水輪機制動區流動特性分析*

陳國玉，顧秉棟，李 源，林 旭

（青海民族大學土木與交通工程學院，青海 西寧 810017）

水泵水輪機內部的轉輪直徑較大，運轉過程中離心作用較大；當水輪機處于工況運行狀態時，受水流慣性驅動影響，進流速度會呈現快速下降狀態，一旦其自身轉速大于飛逸轉速時，水輪機將進入制動工況，流量發生極大變化；如果慣性不降反升，轉輪運行離心作用會將水流向反方向推出，進入反水泵工況。對水輪機制動區流動特性的把握，有助于降低水輪機發生不穩定運行問題的概率，同時對其設計優化也具有一定的指導意義。

1 水泵水輪機的概念和基本工作原理

1.1 水泵水輪機的概念

可以在發電和抽水兩個方向上進行雙向運行的水利機組，就是通常所稱的可逆性質水泵水輪機。這種性質的水輪機是當前抽水蓄能電站的關鍵設施，對維持電力系統穩定運行具有重要的作用；可逆水泵水輪機因高效、靈活及經濟等特性，在抽水蓄能電站中得到普遍應用。除了可逆水泵水輪機之外，水泵水輪機還包括了混流、軸流、斜流以及慣流等4種類型，而這4種類型中，混流性質的水泵水輪機因適用范圍較廣，在抽水蓄能電站中的普及應用也較為廣泛。水輪機由渦殼、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管5部分組成，當水泵水輪機處于發電工況下，水流從渦殼流入，經過導葉和轉輪后，由尾水管流出。其中的轉輪就是水泵水輪機內部的旋轉部分，由上冠、轉輪葉片以及下環3部分組成，且轉輪的旋轉方向會隨著運行方式的變化出現相應的變化[1]。目前水泵水輪機的主要發展方向是高水頭及大容量；為了更好地滿足實際需求，可變速技術也開始被應用到水泵水輪機中。

1.2 水輪發電機的基本工作原理

抽水蓄能電站的上游大壩蓄水后，水就帶有勢能，這些具有壓力的水經過攔污柵、進水口的檢修閘門、工作閘門后進入渦殼中，形成初步的環流，經過座環固定性質的導葉分流，使其均勻地進入到活動導葉內部，還可通過調節導葉開度的大小控制水流量，使轉輪在水自身壓力及速度下進行相應的旋轉工作，將水的勢能及動能轉變成機械能，隨后通過尾水管將這些水分排放至下游[2]。

2 水輪機制動區內部流動不穩定產生的問題

1）渦和旋轉失速問題。由于電力系統自身的負荷變化速度相對較快，因此，水泵水輪機在不同運行工況之間的轉換較為頻繁，導致經常出現穩定性的問題，比較常見的有較為強烈的壓力脈動、轉軸出現擺動甚至部件斷裂等，這些問題在水泵水輪機處于非設計工況運行狀態下表現得尤為顯著，當然這些問題的產生和水泵水輪機內部流動結構的復雜性和其引發的水激力也有一定的關聯。

當數量龐大的流體粒子圍繞某一個中心進行旋轉時會產生一個相應的渦結構，當流量較小時，流體本身產生的慣性也相對較小，水流和葉片發生碰撞后，會在水輪機的轉輪葉片處形成一個相應的流動分離現象，導致渦的生成。旋轉失速在混流性的水泵水輪機中較為常見，且這個旋轉失速基本維持在整體轉輪實際旋轉速的50%～70%之間，一旦旋轉失速發育成熟，就會帶來一個相對較強的壓力脈動，并且還會向上游進行傳播，在進入無葉區以及導葉區時同樣也會在這些區域內部引發渦的誕生[3]。在渦及旋轉失速問題不斷產生、轉化以及傳播的過程中就會引發諸如噪音過大、震動過度及機械疲勞等問題，一旦處于極端工況狀態下，甚至有可能對整個電站的安全穩定運行帶來威脅。

2）水流帶來相應的作用力。水泵水輪機自身所接收到的激振力主要可分為水激力、機械力以及電磁力3個部分。轉輪葉片數量相對較少，且處于較快的旋轉速度下，加之經常在高水頭上進行運轉，導致在非設計工況下壁面會因受到較為復雜的流體作用而產生較為強大的水激力。水激力的存在往往會使水泵水輪機整體出現受力不均衡的問題，也就是所謂的抬機現象，同時還極有可能引發內部軸承及迷宮環等機組部件損壞的問題[4]。例如，浙江安吉天荒坪電站轉輪就是因為其內部的水激力過大導致水輪機內部的轉動部件出現經常性抬起問題，加重了機組內部的磨損程度導致發生意外停機的概率增加。

3）回流問題。該回流問題是指水流的流動方向和正常狀態下的水流方向完全相反的問題。當處于非設計工況時，轉輪機內部的流動會變得較為復雜，也就是說在逐漸偏離主流方向的同時會帶來極為明顯的回流現象。還需要注意的一點就是回流問題的產生往往伴隨著渦和旋轉失速問題的形成，回流問題會加劇流道內部流量的下降程度。

3 制動工況活動導葉區湍流流動特性分析

1）流動的具體規律分析。活動導葉處于開度相對較小的制動工況狀態時，會受到固定導葉自身開度的影響，水流本身的流動方向和活動導葉的進口邊會產生較大的沖角，進口的頭部就會出現脫流現象，導致渦量較小的渦結構產生，此時渦量基本維持在200 s-1，此種渦會沿著導葉背面的流面逐步發展。同時在導葉迎流面的尾部邊緣處也會存在一層薄湍激流，會向著水流的流動方向延伸。在活動導葉上出現振動問題的主要原因是尾部渦系形態以及能量轉化，渦系在導葉穩步的邊緣部分分離之后，會在不遠處的下游中達到渦量的最大值，并由此形成渦團中心，其最大值可達900 s-1，是進口處的4.5倍[5]。與此同時，在相鄰導葉背面尾部也會形成渦團中心，會和尾部較強渦區融合。活動導葉尾跡的流動形態基本和圓柱繞流尾跡相似，當達到一定的雷諾數后就發展成為卡門渦街。而卡門渦街的共振現象將導致整體機組出現噪聲過大等問題。此外尾跡的渦系結構中往往包含著相應的主體以及次生一級的渦結構，且二者之間還存在合并分離作用，在能量傳遞轉化過程中會將部分能量轉變為震源，這就是水力振動出現的原因。渦系結構最初是在導葉背面的頭部和中部位置產生，并逐漸向尾部延伸，渦量總體呈現出對稱分布的特點，導葉內部的上下兩側和壁面接觸部分會因水流帶來的較為強大的沖擊力而加大渦量，進一步說明了活動導葉背面附近的水流流動較為紊亂的原因。

2）渦量的分布情況分析。在水輪機固定導葉的出口處至活動導葉的進口處一直存在明顯的漩渦和回流問題。目前針對單個導葉表面的流線研究已經能很好地將位于活動導葉頭部的流動分流情況予以詳細說明[6]。若在導葉頭部的迎流一側出現了一個流動駐點，說明水流在這個部位會劃分為兩個相反方向的水流，且會從相臨近的兩個導葉處流入轉輪之中。正常情況下，水流在整個流動過程中會因為沖擊到固體壁面而引發相應的沖擊損失。同時水流對活動導葉的沖擊作用也會對導葉擺動過程的穩定性造成一定程度的影響。

3）導葉面的壓力分布情況。在正常情況下，活動導葉進水面上往往帶有較強的壓力，平均壓力基本維持在230 kPa左右，水流經過導葉后的壓力分布是一種梯度性質的遞減變化，由于受相鄰導葉頭部壓力較高的影響，在導葉的中后部壓力會有所降低，隨后又會出現一種逐漸上升的趨勢，此時壓力往往會從180 kPa左右瞬間上升到223 kPa左右。渦殼及固定導葉內部形成的速度較低的旋流會在經過活動導葉后轉變為旋速較快的環流，在這個環節中產生的能量損失會導致在轉化水流能量的過程中出現不穩定問題，繼而引發極為強烈的振動問題[7]。

4）轉輪葉片展開面速度矢量變化特性分析。轉輪葉片展開面速度會隨著流量的變化而變化。當水輪機處于制動工況零流量時，葉片間的進口處會存在著較大的回流性質的渦結構，這個回流性質的渦結構會在流量逐步增大的情形下逐漸向葉片出口方向移動并最終消失。在水流量逐漸增加的情形下，當水泵處于零力矩狀況時，轉輪內部不會有回流性質渦結構的存在。水泵水輪機轉輪部分中的葉片屬于前傾式性質的葉片，在水輪機制動工況接近零流量時，導葉內部緩慢流動的水會因為轉輪的轉動而被帶入到高速旋轉區域中，這個階段中的動能變化十分巨大，渦殼及導葉內部產生的低速旋流在經過活動導葉出口及轉輪葉片進口處的環流后會陡然間變成一個流速較快的流動環流[8]。由于這個速度較快的高速環流自身的流向和轉輪葉片進口存在著一個較大的沖角，從而導致在葉片間會產生射流現象，這個高速射流的存在使得在葉片進口處產生了一個低壓區，一旦勢能超過流體的動能，就會導致葉片進口附近流體產生一個強度較大的渦結構，且這個渦結構會在流量不斷提升的情形之下，使轉輪內部的失速現象在向著入口快速移動的過程中逐步下降直至消失。

4 結束語

綜上所述，水輪機制動區的流動特性對于水輪機的穩定持續運行有著極為關鍵的影響，本文針對其中的流動規律、渦量的分布情況、導葉面的壓力分布及轉輪葉片展開面速度矢量變化特性進行了深入分析，希望為水輪機的優化設計及穩定運行提供一定的幫助。