常玉紅，桂中華，盧偉甫，范龍楠

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；3.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

抽水蓄能機(jī)組空載穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

常玉紅1，桂中華2，盧偉甫2，范龍楠3

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；3.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

水泵水輪機(jī)的空載不穩(wěn)定使得機(jī)組并網(wǎng)困難，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組部件的損壞、機(jī)組運(yùn)行中斷，影響到電廠和電網(wǎng)的生產(chǎn)和運(yùn)行安全，水泵水輪機(jī)空載穩(wěn)定性問(wèn)題已成為當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題之一。從數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩個(gè)方面綜述了改善水泵水輪機(jī)空載穩(wěn)定性方面的研究成果。指出應(yīng)從內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值仿真和PIV內(nèi)流測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面，研究水泵水輪機(jī)的“S”形特性和空載穩(wěn)定性，分析水泵水輪機(jī)“S”形特性、空載穩(wěn)定性與內(nèi)流渦動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，為水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)提供方向性的指導(dǎo)，改善其空載穩(wěn)定性。

水泵水輪機(jī)；空載；“S”形特性

0 引言

抽水蓄能機(jī)組在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和吸收多余電能等任務(wù)方面功效顯著，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不可或缺。國(guó)內(nèi)外水泵水輪機(jī)組在運(yùn)行中碰到問(wèn)題較多，在S特性區(qū)內(nèi)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象特別突出，如我國(guó)的天荒坪、寶泉等電站，國(guó)外法國(guó)蒙特齊克電站、印度比拉電站以及比利時(shí)時(shí)庫(kù)電站都曾出現(xiàn)過(guò)空載不穩(wěn)定問(wèn)題［1］。水泵水輪機(jī)的空載不穩(wěn)定會(huì)出現(xiàn)在水輪機(jī)工況、水輪機(jī)制動(dòng)工況甚至反水泵工況之間來(lái)回轉(zhuǎn)換使得機(jī)組并網(wǎng)困難或甩負(fù)荷后不能達(dá)到空載穩(wěn)定以至跳機(jī)，影響機(jī)組的啟動(dòng)，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組部件的損壞、機(jī)組運(yùn)行中斷，影響到電廠和電網(wǎng)的生產(chǎn)和運(yùn)行安全。目前許多抽水蓄能電站利用在真機(jī)上加裝異步導(dǎo)葉裝置來(lái)改變不穩(wěn)定的S特性，但這又導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)增大等新問(wèn)題的出現(xiàn)。隨著蓄能電站建設(shè)的發(fā)展，人們迫切希望不再采用異步導(dǎo)葉來(lái)改善空載穩(wěn)定性。水泵水輪機(jī)空載穩(wěn)定性問(wèn)題已成為當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題之一［2］，近年來(lái)人們針對(duì)水泵水輪機(jī)空載穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展了大量的數(shù)值計(jì)算和模型測(cè)試方面的研究。

1 水泵水輪機(jī)空載穩(wěn)定性研究

1.1 水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)值數(shù)值計(jì)算研究進(jìn)展

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，基于三維CFD的數(shù)值模擬手段就已經(jīng)應(yīng)用于水輪機(jī)及水泵內(nèi)部的定常流場(chǎng)分析，其主要是服務(wù)于水輪機(jī)及水泵的水力設(shè)計(jì)，CFD計(jì)算結(jié)果主要用于評(píng)價(jià)水力設(shè)計(jì)的水力效率及空化性能［3］。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬手段近幾年被廣泛用于水力機(jī)械的水力穩(wěn)定性和水力振動(dòng)分析。特別是在水輪機(jī)領(lǐng)域，研究已取得較大進(jìn)展。清華大學(xué)、西安理工大學(xué)、昆明理工大學(xué)和武漢大學(xué)等單位在水輪機(jī)尾水管渦帶、間隙流動(dòng)及流固耦合方面，提供了可供水泵水輪機(jī)研究借鑒的方法和思路［4］-［5］。但是水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定性與普通大型的混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性有所區(qū)別，對(duì)于大型水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，更為關(guān)心的是水輪機(jī)在部分負(fù)荷工況下的壓力脈動(dòng)特性及其產(chǎn)生的水力振動(dòng)問(wèn)題，而水泵水輪機(jī)更為關(guān)心的是在工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中的水力穩(wěn)定性及水力振動(dòng)問(wèn)題，特別是水輪機(jī)工況空載不穩(wěn)定，影響了水泵水輪機(jī)的啟動(dòng)成功率，嚴(yán)重的不穩(wěn)定還可能造成水泵水輪機(jī)部件的損壞。

在水泵水輪機(jī)領(lǐng)域，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，就已經(jīng)有學(xué)者將三維CFD的數(shù)值模擬手段應(yīng)用于水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的分析。目前研究較多有不同湍流模型對(duì)于水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算的適用性、不同工況下水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)特性等問(wèn)題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的研究主要集中在這方面。對(duì)于水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)測(cè)試、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、水力振動(dòng)等方面，與水泵水輪機(jī)技術(shù)較為先進(jìn)的日本和歐洲等國(guó)家相比，研究相對(duì)較少。對(duì)于水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)模擬，一般來(lái)說(shuō)可以分成如下兩大類(lèi)。

第一類(lèi)是水泵水輪機(jī)常規(guī)內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬。這種工作主要是研究水泵水輪機(jī)在不同工況的水力性能，重點(diǎn)在于湍流計(jì)算方法。如有部分學(xué)者嘗試使用不同的湍流模式對(duì)水泵水輪機(jī)不同工況進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，在水泵水輪機(jī)流場(chǎng)計(jì)算中，基于k–ω湍流模型的雷諾時(shí)均方法（RANS），不僅具有較高的計(jì)算精度，還具有很高的計(jì)算效率，因此推薦將該方法用于水泵水輪機(jī)非定常流動(dòng)分析［6］；也有部分學(xué)者指出RNGk–ε湍流模型對(duì)小流量工況水泵水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)的模擬更準(zhǔn)確［7］。另一方面，一部分學(xué)者認(rèn)為，大渦模擬方法（LES）在分析水泵水輪機(jī)非定常內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，因其直接求解瞬態(tài)N-S方程，較之RANS方法具有優(yōu)勢(shì)。但LES也存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是在求解水泵水輪機(jī)這種葉片扭曲度較大的葉輪通道時(shí)，因Smagorinsky 亞格子尺度應(yīng)力（SGS）模型不能充分反映葉片扭曲及旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的剪切力各向異性的特性，因此需要發(fā)展高階動(dòng)態(tài)SGS模型；二是LES在近壁區(qū)要求有非常細(xì)密的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，從而也相應(yīng)地要求很小的時(shí)間積分步長(zhǎng)，這樣計(jì)算量急劇增大［8］。而在求解非定常內(nèi)流場(chǎng)時(shí)，近壁區(qū)的流動(dòng)又常是關(guān)注的重點(diǎn)，為此，有必要對(duì)LES做某種形式上的改進(jìn)，以使其適用于近壁區(qū)的低雷諾數(shù)流動(dòng)。實(shí)際上，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在不斷發(fā)展，近幾年出現(xiàn)的URANS（Unsteady RANS，非穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均法）為解決這一問(wèn)題提供了較好的解決方案［9］。URANS改變了雷諾平均等同于時(shí)間平均的概念，近幾年在其他流體工程領(lǐng)域得到重視，并開(kāi)始出現(xiàn)了將LES方法與URANS方法耦合求解核心區(qū)流動(dòng)和近壁區(qū)流動(dòng)的新模式，這為獲得高精度的非穩(wěn)定場(chǎng)解析提供了一種新的途徑。

第二類(lèi)是研究水泵水輪機(jī)不同工況下內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性及穩(wěn)定性問(wèn)題。2006年Sickm通過(guò)利用雷諾應(yīng)力紊流模型對(duì)非穩(wěn)態(tài)水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，研究下部分負(fù)荷條件下，水泵水輪機(jī)尾水管的非穩(wěn)定流態(tài)以及對(duì)轉(zhuǎn)輪軸振動(dòng)特性的影響，并與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比［10］；2007年日本學(xué)者研究了長(zhǎng)短葉片形式在水泵水輪機(jī)的應(yīng)用，指出長(zhǎng)短葉片形式能夠改善部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的壓力脈動(dòng)和水輪機(jī)進(jìn)口處的空化特性［11］；2008年武漢大學(xué)錢(qián)忠東等人利用CFD對(duì)非同步導(dǎo)葉下對(duì)于水泵水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了分析，主要針對(duì)非同步導(dǎo)葉對(duì)于尾水管、無(wú)葉區(qū)以及蝸殼及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中壓力脈動(dòng)影響進(jìn)行研究［12］；2011年冉紅娟等人針對(duì)可逆式水輪機(jī)泵工況下駝峰現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了低壓邊的流態(tài)、進(jìn)口漩渦等對(duì)于水泵水輪機(jī)的駝峰現(xiàn)象的影響［13］。同時(shí)還有很多研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者對(duì)“S”形的形成也進(jìn)行了內(nèi)流流動(dòng)的分析，正如部分學(xué)者指出，水泵水輪機(jī)在制動(dòng)區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)特性，葉片和活動(dòng)導(dǎo)葉的進(jìn)口以及固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間的回流渦的產(chǎn)生，是水泵水輪機(jī)“S”形特性形成的主要原因［14］；同時(shí)也有研究人員指出產(chǎn)生于葉片進(jìn)口的橫向漩渦，即在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口域附近形成完整的和彎曲的環(huán)狀流動(dòng)是形成“S”形的原因［15］。同時(shí)還有大量的研究者從抽水系統(tǒng)方面，研究了“S”形特性對(duì)于機(jī)組過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的影響，如清華大學(xué)陳乃祥等人針對(duì)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪全特性與蓄能電站過(guò)渡過(guò)程的相關(guān)性進(jìn)行了分析，也指出在設(shè)計(jì)過(guò)程中適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)葉相對(duì)高度等參數(shù)，改變特性曲線形狀，減緩開(kāi)度線變化斜率，可優(yōu)化過(guò)渡過(guò)程［16］；武漢大學(xué)楊建東等人也針對(duì)水泵水輪機(jī)“S”形特性對(duì)于抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了數(shù)值仿真、模型測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等工作，如利用優(yōu)化策略等方法改進(jìn)水泵水輪機(jī)過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性問(wèn)題［17］。

數(shù)值仿真近年來(lái)已經(jīng)成為研究水泵水輪機(jī)水力性能、水力穩(wěn)定性等問(wèn)題的最主要的手段之一，目前的研究還是主要集中利用RANS方法對(duì)水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，RANS方法對(duì)于水輪機(jī)在額定工況、最優(yōu)工況附近其計(jì)算精度較高，對(duì)于小流量甚至是空載流量下，由于其內(nèi)流流動(dòng)非常復(fù)雜，基于RANS方法的數(shù)值仿真精度較差，難以反映該種工況下水泵水輪機(jī)的真實(shí)流動(dòng)情況。

1.2 水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)及內(nèi)流場(chǎng)PIV測(cè)試研究進(jìn)展

模型實(shí)驗(yàn)是獲取水力機(jī)械穩(wěn)定性研究的主要途徑，在水泵水輪機(jī)領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。早在2001年陳德新等人就通過(guò)對(duì)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道中壓力分布的測(cè)量和流動(dòng)可視化與圖像處理技術(shù),獲得了“S”形特性區(qū)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的壓力分布曲線與轉(zhuǎn)輪葉片翼間流動(dòng)圖像、速度矢量圖［18］；2005年，王玲花等人利用PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，對(duì)低比速混流式模型水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在水輪機(jī)工況下進(jìn)行了可視化研究，結(jié)果表明水泵水輪機(jī)模型在設(shè)計(jì)工況下轉(zhuǎn)輪區(qū)的流態(tài)較好；在非設(shè)計(jì)工況下，不管正沖角還是負(fù)沖角，翼間流場(chǎng)都會(huì)有一定的脫流與旋渦存在；尤其在大流量工況下，在葉片正面形成大范圍的脫流漩渦，但由于漩渦位置幾乎不變，機(jī)組運(yùn)行比較穩(wěn)定；在小流量工況下，葉片背面存在著周期性的脫流漩渦，漩渦葉片進(jìn)口逐漸變化到葉片流道出口，易形成周期性較大的壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定［19］。目前，國(guó)內(nèi)的水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺(tái)主要有水科院水力機(jī)械測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，以及東方電機(jī)及哈爾濱電機(jī)的水力機(jī)械測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，三個(gè)試驗(yàn)臺(tái)主要用于水輪機(jī)及水泵水輪機(jī)的模型驗(yàn)收試驗(yàn)，針對(duì)水泵水輪機(jī)開(kāi)展的研究還比較少。在國(guó)外，目前開(kāi)展水泵水輪機(jī)水力穩(wěn)定性及水力激振研究的試驗(yàn)臺(tái)主要集中在歐洲的水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)，如法國(guó)阿爾斯通水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)和瑞士的洛桑水力機(jī)械試驗(yàn)中心。法國(guó)國(guó)立格勒諾布爾理工學(xué)院（Institute National Polytechnic de Grenoble）Gabriel Dan CIOCAN等人于2006年利用LDV（激光多普勒測(cè)速儀）和不穩(wěn)定全壓探針設(shè)備對(duì)水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉至轉(zhuǎn)輪之間的流態(tài)及壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)水泵和水輪機(jī)兩個(gè)狀態(tài)下的部分負(fù)荷、最優(yōu)效率和超負(fù)荷工況下的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分的相互作用關(guān)系進(jìn)行了研究［20］。洛桑水力機(jī)械試驗(yàn)中心從2006年開(kāi)始，該試驗(yàn)臺(tái)陸續(xù)開(kāi)展了水泵水輪機(jī)的“S”形特性、壓力脈動(dòng)及水力激振特性研究［21］。如在2010年，Vlad等人利用高速攝影分析了水泵水輪機(jī)在空載工況活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的流體流態(tài)的觀察（見(jiàn)圖1），分析了不同工況條件無(wú)葉區(qū)旋渦的產(chǎn)生及渦形態(tài)變化等，這些研究成果都具有較高的參考價(jià)值［22］。

圖1 瑞士洛桑水力機(jī)械試驗(yàn)中心水泵水輪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)及高速攝像測(cè)量結(jié)果Fig.1 Pump-turbine test beds and the high-speed visualization measurements in Laboratory for hydraulic machine in Lausanne of Switzerland

2 水泵水輪機(jī)空載穩(wěn)定性分析

水輪機(jī)空載工況處于水輪機(jī)工況和水輪機(jī)制動(dòng)工況的分界處。水泵水輪機(jī)一旦進(jìn)入制動(dòng)區(qū)，水流對(duì)于轉(zhuǎn)輪起到阻擋的作用，流量迅速下降，轉(zhuǎn)速增加或者略有下降。如果流量進(jìn)一步減小至負(fù)值，則進(jìn)入反水泵工況，變?yōu)樗啓C(jī)旋轉(zhuǎn)方向抽水，轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，導(dǎo)葉開(kāi)度線不可避免的形成S形，這就是水泵水輪機(jī)的S形特性區(qū)，如圖2所示［23］。

水泵水輪機(jī)的S形特性導(dǎo)葉開(kāi)度線是水泵水輪機(jī)的特征線，是不可避免的［24］?！癝”形特性對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）對(duì)水輪機(jī)空載運(yùn)行產(chǎn)生影響。在導(dǎo)葉打開(kāi)至空載開(kāi)度時(shí)，在“S”形特性內(nèi)，將可能出現(xiàn)一個(gè)n11對(duì)應(yīng)二至三個(gè)流量，在一定的外界壓力波動(dòng)的誘發(fā)下，機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)隨著流量的快速變化而不斷波動(dòng)，最大可能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的10%左右，造成機(jī)組并網(wǎng)困難或者不能并網(wǎng)。

（2）“S”形特性還會(huì)對(duì)水泵水輪機(jī)帶負(fù)荷工況產(chǎn)生影響。當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)后或調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電及發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相時(shí)的導(dǎo)葉開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)程中,如果工況點(diǎn)經(jīng)過(guò)“S”形特性區(qū)域或其附近,為了維持機(jī)組與電網(wǎng)同步、機(jī)組轉(zhuǎn)速不變,機(jī)組將從系統(tǒng)吸收較大的功率。如果吸收功率超過(guò)整定值,則將導(dǎo)致機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)事故［25］-［26］。

（3）在甩負(fù)荷時(shí)對(duì)水錘壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率產(chǎn)生影響。由于轉(zhuǎn)輪“S”形特性影響,在甩負(fù)荷時(shí)，對(duì)壓力鋼管中的水流將造成類(lèi)似導(dǎo)葉快速關(guān)閉的效果,導(dǎo)致進(jìn)入機(jī)組的流量快速減小,從而形成壓力鋼管內(nèi)第二個(gè)水錘壓力峰值。

但“S”形特性區(qū)是否一定會(huì)出現(xiàn)水輪機(jī)工況的空載不穩(wěn)定等問(wèn)題，“S”形特性是否影響水輪機(jī)的空載穩(wěn)定性等問(wèn)題的核心是導(dǎo)葉開(kāi)度線與機(jī)組飛逸曲線相交于何處。只有飛逸曲線與導(dǎo)葉開(kāi)度線交于“S”形特性區(qū)上彎部分（dQ11/dn11＞0）時(shí)，即交于導(dǎo)葉開(kāi)度線正斜率區(qū)，同時(shí)該部分又位于水輪機(jī)真機(jī)的運(yùn)行范圍時(shí)，此時(shí)在同一單位轉(zhuǎn)速下，將對(duì)應(yīng)二至三個(gè)單位流量（如圖2所示），才可能出現(xiàn)空載不穩(wěn)定等問(wèn)題［27］-［28］。而當(dāng)水輪機(jī)工況飛逸線與導(dǎo)葉開(kāi)度線相交于負(fù)斜率區(qū)時(shí)，機(jī)組就不會(huì)出現(xiàn)水輪機(jī)空載不穩(wěn)定等問(wèn)題，如圖3所示。

圖2 不穩(wěn)定的水輪機(jī)工況n11-Q11特性Fig.2 n11-Q11 characteristics under unstable operation of turbine

圖3 穩(wěn)定的水輪機(jī)工況n11-Q11特性Fig.3 n11-Q11 characteristics under stable operation of turbine

由于水泵水輪機(jī)按照水泵工況進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，其真機(jī)運(yùn)行范圍的單位轉(zhuǎn)速要高于水輪機(jī)工況的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速［29］。在水力階段時(shí)，目前還難以預(yù)測(cè)其水輪機(jī)工況的空載穩(wěn)定性，空載穩(wěn)定性通常在水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，受施工工期和交貨工期的影響，來(lái)不及重新進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，即使重新設(shè)計(jì)，也難以保證新設(shè)計(jì)方案不會(huì)出現(xiàn)空載穩(wěn)定性問(wèn)題。目前工程上一般采用以下幾種方案解決：①調(diào)速系統(tǒng)增加水壓反饋回路；②采用進(jìn)水閥進(jìn)行截流調(diào)節(jié)；③采用非同步導(dǎo)葉（MGV，亦稱部分導(dǎo)葉預(yù)開(kāi)）［30］。第三種方案應(yīng)用最多，但非同步導(dǎo)葉投入期間，會(huì)引起較大的壓力脈動(dòng)、噪聲和振動(dòng)等問(wèn)題，增加了機(jī)組的運(yùn)行、維護(hù)成本，一定程度上也降低了機(jī)組的疲勞強(qiáng)度［31］。根據(jù)相關(guān)研究表明，導(dǎo)葉預(yù)開(kāi)的角度越大，改善“S”形特性的效果越好，但轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)的對(duì)稱性越差，轉(zhuǎn)輪所受到的徑向力和尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)就越大，機(jī)組振動(dòng)更為明顯［32］。

雖然采用非同步導(dǎo)葉（MGV）在一定程度上能夠解決空載穩(wěn)定性問(wèn)題，但該種方式不應(yīng)形成一種工程“慣例”而成為水力研發(fā)技術(shù)進(jìn)步的阻礙。因此還需要從水力設(shè)計(jì)的角度重新審視“S”形特性問(wèn)題，提出系統(tǒng)而有效的解決辦法來(lái)解決空載穩(wěn)定性問(wèn)題。根據(jù)目前已發(fā)表的文獻(xiàn)表明，日本東芝水電、三菱水電等開(kāi)發(fā)的水泵水輪機(jī)水力模型就基本上解決了在水輪機(jī)工況的空載穩(wěn)定性問(wèn)題，但由于核心技術(shù)保密，國(guó)內(nèi)難以引進(jìn)。因此還需要重新審視“S”形特性問(wèn)題，分析“S”形特性形成的機(jī)理，分析影響機(jī)組飛逸線與導(dǎo)葉開(kāi)度線相交在正斜率區(qū)還是負(fù)斜率區(qū)的因素。正是由于對(duì)“S”形特性形成的內(nèi)流機(jī)理不清楚，導(dǎo)致水力設(shè)計(jì)沒(méi)有方向，有時(shí)設(shè)計(jì)得到的水泵水輪機(jī)在運(yùn)行范圍內(nèi)不存在空載穩(wěn)定性問(wèn)題，而有時(shí)又存在嚴(yán)重水輪機(jī)工況空載穩(wěn)定性問(wèn)題。

因此，需要對(duì)水泵水輪機(jī)“S”形特性以及空載穩(wěn)定性問(wèn)題的內(nèi)流機(jī)理及影響參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，才能為改善水輪機(jī)工況的空載穩(wěn)定性等問(wèn)題提供參考。從內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值仿真和PIV內(nèi)流測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面，研究水泵水輪機(jī)的“S”形特性和空載穩(wěn)定性，分析水泵水輪機(jī)“S”形特性、空載穩(wěn)定性與內(nèi)流渦動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，為進(jìn)一步改善其空載穩(wěn)定性提供理論支持。

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出：

（1）水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)分析理論和數(shù)值計(jì)算方法有待完善。現(xiàn)有的湍流模型在預(yù)測(cè)水泵水輪機(jī)最優(yōu)工況附近流動(dòng)時(shí)，其準(zhǔn)確性較高，但在小流量或者空載負(fù)荷時(shí)，其精度不能滿足工程實(shí)際需要，需要發(fā)展相應(yīng)的精細(xì)湍流計(jì)算模式來(lái)加以解決。

（2）對(duì)于“S”形特性和空載穩(wěn)定性形成的機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。對(duì)于水泵水輪機(jī)全特性曲線中“S”形特性曲線形成的內(nèi)流機(jī)理還缺少系統(tǒng)有效的研究，還需要進(jìn)行更進(jìn)一步的流動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)、CFD內(nèi)流場(chǎng)分析以及對(duì)比試驗(yàn)及分析，以了解產(chǎn)生“S”形特性的流動(dòng)機(jī)理。

（3）對(duì)于如何改善水輪機(jī)工況的空載穩(wěn)定性還缺少系統(tǒng)而有效的方法。當(dāng)前水泵水輪機(jī)的空載穩(wěn)定性一般是在水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)，受施工周期和交貨進(jìn)度等的影響，來(lái)不及重新進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，即使進(jìn)行重新水力設(shè)計(jì)，也很難保證新設(shè)計(jì)的水力模型能夠解決“S”形特性的問(wèn)題，往往采取其他工程手段來(lái)預(yù)防。但該種方式不應(yīng)形成一種工程“慣例”而成為水力研發(fā)技術(shù)進(jìn)步的阻礙。因此還需要從水力設(shè)計(jì)的角度重新審視“S”形特性問(wèn)題，提出系統(tǒng)而有效的解決辦法來(lái)解決空載穩(wěn)定性問(wèn)題。

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常玉紅（1972—），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：水電設(shè)備技術(shù)管理。E-mail:yuhong-chang@sgxy.sgcc.com.cn

桂中華（1976—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：水電設(shè)備故障診斷與狀態(tài)評(píng)價(jià)。E-mail:zhonghua-gui@sgxy.sgcc.com.cn

Status Analysis of the Study on the Stability of Pumped Storage Unit with No-load

CHANG Yuhong,GUI Zhonghua,LU Weifu,FAN Longnan
(1.State grid xinyuan company Ltd.,Beijing,100761,China; 2.Technology center of state grid xinyuan company Ltd,beijing,100161,China; 3.Jilin Dunhua pumped storage power,Jilin Dunhua,133700,China)

Instability of the pump-turbine with no-load will make the grid-connected units difficult,and even cause the damage of the units parts and the interruption of the operation of the units,which influence the security of the production and the operation of the power plant and the grid.The stability of the pump-turbine with no-load has become one of the key problems to be solved currently.The research accomplishments of the stability of the pump-turbine with no-load are overviewed by numerical simulation and model experiment in the paper.It is identified that the “S”performance and the stability of the no-load performance of the pump-turbine should be studied,and the relationship among the “S”performance,the stability of the no-load performance and the inflow vorticity dynamics of the pump-turbine should be analyzed by inflow numerical simulation and PIV inflow measurement.The achievements provide the theoretical guidance for the design of pump-turbine and are benefit for the improvement of the stability of the noload performance.

pump-turbine;no-load;“S”performance

TV737

A 學(xué)科代碼：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.011