【摘 要】
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抽水蓄能机组在电力系统中担任调峰、调相等任务,为了满足电网的高效运行,抽水蓄能电站成为了当前储能与电网调节的主流手段,而水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心部件,其安全和稳定运行至关重要。当水泵水轮机甩负荷时,可能会出现导叶拒动的极端情况,这种情况下机组很容易进入飞逸状态。当机组飞逸时间过长,很容易造成固定螺栓损坏,进而导致大轴不稳,严重时可能会被尾水水压顶起,造成水淹厂房等不可挽回的事故。由此可见,
【基金项目】
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国家自然科学基金:基于导叶翼型优化与控制策略的水泵水轮机全流域流动稳定性研究（52066011）；
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抽水蓄能机组在电力系统中担任调峰、调相等任务,为了满足电网的高效运行,抽水蓄能电站成为了当前储能与电网调节的主流手段,而水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心部件,其安全和稳定运行至关重要。当水泵水轮机甩负荷时,可能会出现导叶拒动的极端情况,这种情况下机组很容易进入飞逸状态。当机组飞逸时间过长,很容易造成固定螺栓损坏,进而导致大轴不稳,严重时可能会被尾水水压顶起,造成水淹厂房等不可挽回的事故。由此可见,今后我国建设抽水蓄能电站以及对其中的可逆式水泵水轮机运行稳定性的提高等任务相当繁重,发展潜力巨大。活动导叶作为水泵水轮机的重要导水部件,其水力性能以及结构强度将直接影响机组的效率以及运行的稳定性,且目前对于通过改进水泵水轮机活动导叶几何结构来改善其“S”特性、提高机组在飞逸工况运行的稳定性等方面研究较少。本文基于此,以水泵水轮机活动导叶翼型为研究对象,探究其对水泵水轮机飞逸特性及其它水力性能（“S”特性、压力、效率、转轮所受径向力等方面）的影响,结论如下:1.本文依托哈尔滨大电机研究所试验台,得到数值计算结果与试验结果最大相对误差在3%以内,实验误差在允许范围内。2.改进水泵水轮机原有的活动导叶翼型,建立两种不同导叶翼型模型,分别对开度11mm、33mm、41mm下水泵水轮机的内流特性进行分析。得到改进导叶翼型后水泵水轮机在飞逸工况时,其活动导叶、转轮区域的速度流线分布均匀,涡核集中分布区域减少;无叶区由于高速水环形成的环状阻水现象明显削弱,使得转轮进口液流能较为顺畅地流动,且减少了一部分能量的损失;尾水管内涡核集中分布区域减少,机组可以在较为稳定的状态下运行,且涡核集中区域有一部分小尺度涡出现脱落并随着水流流出,这主要是由于转轮出口以及尾水管入口的高速液流冲击涡核,促使其向下游运动。3.进一步优化活动导叶翼型B几何结构,建立不同导叶翼型方案,并分析不同方案下水泵水轮机的Q11-n11曲线以及内流特性,得到减小活动导叶翼型头部圆半径r时,活动导叶、转轮区域的能量耗散最少,且对水泵水轮机的“S”特性改善效果最明显。4.分析活动导叶头部圆半径r对水泵水轮机水力性能的影响规律,建立6种方案a、b、c、d、e、f通过数值计算对比分析。发现方案e对机组的“S”特性改善效果最佳,在活动导叶、转轮区域的流线分布最为均匀且高压区域最少,且在方案e时转轮径向力合力最小,对机组的平稳运行干扰最小。5.基于减小活动导叶翼型头部圆半径r至r-0.313mm,分析水泵水轮机在飞逸工况时无叶区、转轮流道内以及尾水管中的流动特性:（1）在无叶区、活动导叶出口以及转轮入口由于旋涡的旋转流动使得在此区域产生了局部高压。在转轮流道进口均匀分布着尺度不同的旋涡,旋涡区的压力大小随旋涡的位移以及强度而变化。在水泵水轮机转轮流道存在的涡结构,不仅影响转轮内部流场的压力、速度波动,同时也会对转轮叶片的受力产生影响,从而引发更为复杂的振动现象,对转轮的使用寿命以及水泵水轮机的安全稳定运行构成严重威胁。（2）受涡结构的影响流体在尾水管扩散段前端会产生回流,回流会干扰尾水管内水流的正常流出,其中一部分在尾水管中集结打转,影响水泵水轮机的出流量及水力特性。越靠近尾水管弯肘段,所选特征断面的流态越复杂,回流越多。且特征断面的压力分布呈梯度扩散,越靠近尾水管出流位置的特征断面流体压力梯度变化幅值越小,压力变化也越稳定,即距离水泵水轮机转轮中轴线600mm的特征断面的压力梯度变化最小。
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