抽水蓄能機(jī)組非穩(wěn)態(tài)過程水力穩(wěn)定性研究綜述

桂中華，肖業(yè)祥

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)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(guī)水電機(jī)組相比，抽水蓄能機(jī)組除存在特有的水泵水輪機(jī)“S”特性、水泵工況駝峰區(qū)穩(wěn)定性問題外，還存在因為轉(zhuǎn)速高而造成機(jī)組主軸擺度比常規(guī)機(jī)組大、機(jī)組因雙向旋轉(zhuǎn)、工況復(fù)雜以及起停頻繁等特點而更易造成機(jī)組內(nèi)部各種壓力脈動，進(jìn)而誘發(fā)水力穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，嚴(yán)重時甚至發(fā)生水淹廠房等事故。本文對抽水蓄能機(jī)組水力穩(wěn)定性相關(guān)的無葉區(qū)壓力脈動特性、泵工況駝峰特性、水輪機(jī)工況S特性和流固耦合問題等4個方面進(jìn)行了深入分析，指出了當(dāng)前抽水蓄能機(jī)組水力穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jī)組的運行穩(wěn)定性。

1 水力穩(wěn)定性問題研究進(jìn)展

1.1 無葉區(qū)壓力脈動特性

水泵水輪機(jī)在運行時，轉(zhuǎn)輪葉片和活動導(dǎo)葉間相互作用形成的壓力脈動（通常稱作無葉區(qū)壓力脈動）是引起機(jī)組振動、噪聲主要原因之一。為了弄清無葉區(qū)壓力脈動特性，部分學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對原模型無葉區(qū)壓力脈動進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無葉區(qū)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(guī)律相似[1]。還有的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法研究水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動傳遞特性，發(fā)現(xiàn)無葉區(qū)壓力脈動以葉頻的倍頻為主，在向上游（依次為活動導(dǎo)葉、固定導(dǎo)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(shù)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(tài)及壓力場，可加深我們對水泵水輪機(jī)水力穩(wěn)定性機(jī)理性問題的認(rèn)識，對壓力脈動產(chǎn)生及傳播機(jī)理的深入研究產(chǎn)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(jī)組效率，在設(shè)計水泵水輪機(jī)時，會適當(dāng)減小轉(zhuǎn)輪及活動導(dǎo)葉間的無葉區(qū)，若機(jī)組發(fā)生動靜干涉現(xiàn)象，則會導(dǎo)致幅值更高、更為強(qiáng)烈的壓力脈動現(xiàn)象[3]，高幅值的壓力脈動引起周期性壓力載荷，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的疲勞破壞。這種現(xiàn)象在一些高水頭混流式水泵水輪機(jī)內(nèi)時有發(fā)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(jī)內(nèi)部，影響動靜干涉的因素有很多[4]。首先，活動導(dǎo)葉內(nèi)切圓直徑與轉(zhuǎn)輪外徑之比對水泵水輪機(jī)動靜干涉和壓力脈動的影響顯著；然后，導(dǎo)葉高度的增加有助于減小無葉區(qū)內(nèi)的壓力脈動幅值；此外，轉(zhuǎn)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(qū)內(nèi)的壓力脈動；最后，機(jī)組內(nèi)部局部間隙或腔體結(jié)構(gòu)對于無葉區(qū)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(zhuǎn)輪或某一特殊工況，且主要集中于試驗研究，少有學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法深入探討動靜干涉與壓力脈動的相關(guān)機(jī)理。

1.2 水泵工況的駝峰特性

在水泵的流量-揚程（Q-H）關(guān)系曲線中，通常是負(fù)斜率曲線，即dH/dQ＜0。但是，在許多水泵和水泵水輪機(jī)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(dāng)水泵水輪機(jī)運行在該駝峰區(qū)時，揚程線穿過正斜率區(qū)谷底上方，則表明當(dāng)水泵水輪機(jī)啟動過程中隨著導(dǎo)葉打開至該開度時，將對應(yīng)2～3種可能的流量，通常會造成機(jī)組輸入功率劇烈擺動及輸水系統(tǒng)的劇烈震蕩，導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)，嚴(yán)重時可能引發(fā)機(jī)組或輸水系統(tǒng)破壞。到目前為止，少見水泵水輪機(jī)因進(jìn)入駝峰區(qū)引起機(jī)組事故的報道，但其高揚程區(qū)域的不穩(wěn)定特性確實存在，需在抽水蓄能電站設(shè)計及水泵水輪機(jī)選擇時給予充分重視，進(jìn)行優(yōu)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(jī)理進(jìn)行了解釋，對于水泵水輪機(jī)的混流式葉輪而言，駝峰現(xiàn)象主要是由于葉輪出口處的回流現(xiàn)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(xiàn)回流現(xiàn)象[5][6]。此外，導(dǎo)葉內(nèi)部的失速也對駝峰的形成產(chǎn)生影響。通過減少葉輪的葉片數(shù)、葉片安放角和葉輪出口寬度，或者減小壓水室斷面面積、導(dǎo)葉進(jìn)口葉片間喉部面積等方法，可以有效消除駝峰現(xiàn)象，但為了兼顧水輪機(jī)工況性能，并考慮與導(dǎo)葉的動靜部件耦合作用，使得水泵水輪機(jī)泵工況下的流量—揚程駝峰不能完全消除[7][8]。目前國內(nèi)外研究者對水泵水輪機(jī)水泵工況的駝峰特性研究越來越深入，對駝峰產(chǎn)生的機(jī)理和特性的認(rèn)識越來越清晰，但是還沒有明確統(tǒng)一的結(jié)論，特別是對于高水頭低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)的駝峰特性研究還較少，對于在運行過程中的參數(shù)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(yīng)，隨流量增減的變化規(guī)律不統(tǒng)一，并與空化所致?lián)P程下降存在相互干涉。綜合而言，水泵水輪機(jī)的駝峰特性機(jī)理尚待進(jìn)一步探究[10]。

1.3 水輪機(jī)工況的S特性

水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況下，全特性曲線存在S特性。發(fā)電運行前，水泵水輪機(jī)通常處于飛逸狀態(tài)，水輪機(jī)低水頭啟動工況在S特性區(qū)域機(jī)組可能快速通過水輪機(jī)制動工況進(jìn)入反水泵區(qū)，此時機(jī)組由電網(wǎng)吸收功率；當(dāng)導(dǎo)葉開啟有足夠的流量時機(jī)組會轉(zhuǎn)入水輪機(jī)工況，機(jī)組開始向電網(wǎng)輸出功率，造成很大的主軸力矩反復(fù)[11]。水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況從空載到帶負(fù)荷受S特性影響很大，嚴(yán)重時將導(dǎo)致機(jī)組不能由空載直接帶負(fù)荷，造成機(jī)組水輪機(jī)工況并網(wǎng)啟動困難。甩負(fù)荷時，S特性也將誘發(fā)劇烈的水力振蕩，并引起空載運行不穩(wěn)定現(xiàn)象[12]。

研究表明，S特性的存在可能引起轉(zhuǎn)輪進(jìn)口附近明顯的渦帶以及低頻壓力脈動。S特性的發(fā)生與葉片葉型相關(guān)，并受到導(dǎo)葉的影響。通過預(yù)開部分導(dǎo)葉，增大過流，或通過調(diào)整導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸位置，增大過流，均可以改善S特性[13]。大量的現(xiàn)場試驗證明，采用非同步導(dǎo)葉會造成活動導(dǎo)葉出流和轉(zhuǎn)輪入流不均衡，最典型的副作用是造成機(jī)組部件的振動、大軸擺度以及壓力脈動的加劇[14]。同時預(yù)開導(dǎo)葉或非同步導(dǎo)葉的采用，在工程上增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，也增加了日常維護(hù)和檢修的工作量[15]。因此，今后的更佳選擇是開發(fā)出空載穩(wěn)定性更好的水泵水輪機(jī)，結(jié)合恰當(dāng)?shù)碾娬緟?shù)設(shè)計，在不采用非同步導(dǎo)葉條件下獲得穩(wěn)定的空載特性。綜合目前的研究可知，S特性與導(dǎo)葉葉道堵塞引起的水力損失相關(guān)，然而其機(jī)理還未完全闡明，沒有統(tǒng)一的學(xué)術(shù)認(rèn)識，其產(chǎn)生的不良影響也需要進(jìn)一步的深入研究。

1.4 流固耦合問題

隨著我國水電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和機(jī)組的尺寸相應(yīng)增大，機(jī)械剛度相對降低，機(jī)組振動擺度大等穩(wěn)定性問題已成為影響電站安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)難題。而對于以高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量為主要特征的抽水蓄能電站，其機(jī)組結(jié)構(gòu)振動問題更為突出。水泵水輪機(jī)動靜干涉與壓力脈動，會引起機(jī)組結(jié)構(gòu)件的振動；尾水管周期性轉(zhuǎn)動的渦帶，也可能引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動[16]。反過來，導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪等過流件的振動也會對壓力脈動產(chǎn)生影響。從流固耦合的研究可知，振動較微弱的結(jié)構(gòu)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(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)件附近，壓力脈動的頻率為振動頻率；越靠近振動結(jié)構(gòu)，流場內(nèi)的壓力脈動幅值越大。由動靜干涉現(xiàn)象導(dǎo)致的非定常流場通常會引起結(jié)構(gòu)的高周疲勞。由動靜干涉造成的應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在葉片的進(jìn)出水邊與上冠及下環(huán)連接處[17]。當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到極限后，裂紋在應(yīng)力集中的位置產(chǎn)生。從國內(nèi)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(zhuǎn)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(jī)制的研究主要集中于實驗研究，采用數(shù)值模擬的方法深入探討二者間的相互作用機(jī)制的研究也相對較少[18][19]。另外，目前水泵水輪機(jī)或水輪機(jī)組中，考慮動靜干涉對轉(zhuǎn)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(jī)動靜干涉影響因素的研究，并進(jìn)一步分析其對水輪機(jī)過流部件的影響。

2 相關(guān)研究存在的問題及發(fā)展方向

總的來說，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對于抽水蓄能機(jī)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(jī)組內(nèi)部的瞬態(tài)流動及其機(jī)理的分析較少，比如由動靜干涉、相位共振引發(fā)的抽水蓄能機(jī)組振動機(jī)理研究。其次，仿真計算的精度有限，對于復(fù)雜流動工況的湍流模擬準(zhǔn)確性有待加強(qiáng)；由于受研究方法和研究條件的限制，當(dāng)前水力穩(wěn)定問題研究往往需要簡化計算域模型、假設(shè)湍流模型、假定各種邊界條件等，各種簡化與假設(shè)一定程度導(dǎo)致模擬結(jié)果失真，降低了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，對水力激勵引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)研究較為有限，對于抽水蓄能機(jī)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(jī)組內(nèi)部流場、各部件結(jié)構(gòu)場、電機(jī)電磁場、軸承軸瓦溫度場等物理量之間的宏觀聯(lián)系，無法系統(tǒng)性的、行之有效的解決抽水蓄能機(jī)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(jī)組非穩(wěn)態(tài)過程水力穩(wěn)定性問題仿真研究的重點有：

（1）提高抽水蓄能機(jī)組特性數(shù)值預(yù)測的精度。通過仿真分析構(gòu)建數(shù)值模擬預(yù)測與真機(jī)、模型機(jī)等測試系統(tǒng)的聯(lián)系，實現(xiàn)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(shè)的基礎(chǔ)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(chǎn)生的計算誤差，提高抽水蓄能機(jī)組數(shù)值計算的精度。

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

3 結(jié)束語

由于當(dāng)前數(shù)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(yù)測值與測試值之間仍存在一些誤差，導(dǎo)致數(shù)值計算在解決抽水蓄能機(jī)組穩(wěn)定性問題方面還存在一定的不足，影響了仿真結(jié)果工程應(yīng)用的效果。

隨著我國抽水蓄能電站建設(shè)步伐的加快，迫切需要進(jìn)一步完善數(shù)值仿真研究方法，構(gòu)建抽水蓄能多相流動、多場耦合仿真平臺，更為準(zhǔn)確、系統(tǒng)性地診斷分析抽水蓄能機(jī)組內(nèi)部單/多相流動特征、脈動特性與水力激勵、各部件結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性等問題，為抽水蓄能機(jī)組的選型、設(shè)計及運行提供相關(guān)理論方法和技術(shù)支持。