低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动分析与研究邵冰啸

低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动分析与研究邵冰啸

邵冰啸

（江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏213300）

摘要：为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性，采用SSTk-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟．在试验验证的基础上，通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况，分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律．针对混流式水轮机的转轮结构、受力特点及转轮各部分网格的自动划分等方面进行了简要分析，阐述了可实现水轮机转轮结构计算与优化设计的有限元方法及改良复合形法。在不改变叶片型线的情况下合理地选择上冠和下环的尺寸，从而改善转轮各部分的应力分布，求得最优的转轮结构。

关键词：水泵水轮机；异常低水头；压力脉动

随着大型水泵水轮机组的广泛运用，人们对如何提高水泵水轮机的效率、稳定性和抗空化性的问题越来越关注，目前，水轮机的效率和抗空蚀的性能都得到了很大的提高，而随着机组容量和水头的增加，水泵水轮机组运行的不稳定性问题越来越严重，机组的振动直接影响电站正常的运行和厂房的安全．机械振动、电磁振动和水力振动等都会造成机组振动.而压力脉动是造成水泵水轮机机组振动的主要原因之一，它产生于机组运行过程的非定常流场.水轮机在低负荷运行状态下存在运行不稳定的情况，运行工况偏离最优工况很远，此时导叶进口水流是以一定的角度进入导叶，内部流动状态随之变坏，使导叶后出现旋涡、脱流等不稳定现象，引起压力脉动，使水泵水轮机本体振动。

1、计算模型

1.1物理模型

图1为以国内某抽蓄电站模型水泵水轮机为对象建立的全流道几何模型，其模型机的几何参数：转轮进口直径D1=473.5mm，转轮出口直径D2=300.0mm，转轮叶片数Zb=9，固定导叶数Zc=20，活动导叶数Z0=20，导叶高度b0=66.72mm，蜗壳包角343°。

图1模型水轮机的三维实体模型

将水泵水轮机三维全流道划分为蜗壳与固定导叶区、活动导叶区、转轮及尾水管4个计算域．网格划分过程中，发现隔舌附近结构复杂，因此蜗壳与固定导叶区域采用适应性强的非结构化四面体网格，其他区域采用结构化网格进行划分。

1.2湍流模型及边界条件

在数值计算中，采用不可压缩流体的连续方程和Reynolds平均的Navier-Stokes方程，模拟水泵水轮机在异常低水头下的流动，参考文献：[6]说明，大涡模拟方法和Realizablek-ε模型对压力脉动频率的预测结果基本一致，与试验结果吻合较好，但大涡模拟计算周期较长，故使用Realizablek-ε湍流模型对方程组进行封闭。

另外，给定蜗壳进口边界条件为质量流量进口，尾水管出口为压力出口，在壁面处采用无滑移边界条件，近壁区采用标准壁面函数．在非定常计算中采用了滑移网格模型模拟转轮与上、下游动静干扰流场．用SIMPLE算法对压力-速度耦合，以转轮转动周期的1/120时间作为计算的时间步长，旋转10个周期。

1.3导水机构

顶盖、底环和控制环均采用钢板焊接结构，具有良好的刚度。顶盖与底环上设置螺栓把合的固定止漏环，其硬度与转轮止漏环的硬度差一般在40HB以上，这样可有效防止转轮研损。在中低水头水轮机上，顶盖和底环抗磨板一般采用螺钉连接的结构，但在高水头水轮机上，由于搞水头的作用，螺钉连接的抗磨板容易发生局部变形，使得导叶端面间隙不易达到高水头水轮机的要求，会导致导叶端面磨损，从而增大导叶端面漏水量。所以对高水头混流式水轮机的顶盖一般采用对焊不锈钢抗磨板的结构。

1.4蜗壳

高水头混流式水轮机的蜗壳采用345全包角金属蜗壳，蜗壳设计成不考虑与混凝土联合受力条件下可单独承受工作压力。应保证蜗壳的流道形线和尺寸与模型水轮机相似。蜗壳采用数控下料，加工和制作。为了方便工地进行安装，设置足够凑合节，并留有足够的切割余量。焊缝按相关标准要求进行无损探伤。在高水头混流机的蜗壳进口应设置止推环，以减少充水后蜗壳进口承受的单边轴向力引起蜗壳及钢筋变位。且蜗壳和座环在工地需要做打压试验并保压浇混凝土。

1.5尾水管

尾水管由尾水直锥管和尾水肘管（扩散管）组成。尾水管单线图与模型流道图相似。高水头水轮机尾水管必要时，尾水管扩散段也需设置金属里衬。高水轮混流式水轮机采用浮动式尾水锥管结构，运行中可有效防止因底环变形引起的位移、导水机构的振动等被传入基础及厂房等建筑。

1.6主轴密封

高水头混流式水轮机主轴密封一般采用间隙式泵板密封系统。其主要组成部分有转轮上冠处的泵板、顶盖排水管和间隙式密封等。这种结构的密封只有在几组刚启动时，有极少量的水通过间隙密封处的排水管排至集水井或稍有渗出。然而一旦机组开始运行，转轮转动带动泵板转动，从而带动泵板内腔的水转动，在离心力的作用下将所有水由顶盖排水管排向集水井。从而保证机组在正常运行时主轴密封可以滴水不漏。

由于间隙式泵板密封为非接触式密封，所以密封件不存在磨损现象，无需密封润滑和冷却水。这种结构的主轴密封完全满足在高水头机组密封区域高速运转的条件下使用。且几乎无需维护和更换，有性能可靠，使用寿命长特点。

1.7水导轴承

导轴承采用抛物面轴瓦筒式油轴承，所有的主要部件都为焊接结构，分瓣后用螺栓把合。轴承座用法兰固定在水轮机顶盖上，并形成上油箱。它也是轴瓦的基础。油盆固定在主轴上并随之转动。轴瓦用法兰固定在轴承座上，内嵌固定的巴氏合金瓦，并加工成抛物线曲面，具有优越的轴承动态液压性能。只要拆掉上油箱的油箱盖，就可以很方便地从上面检查轴承间隙或拆卸轴承。

轴承为自循环形式，所有的油都包含在轴承内，无需泵或外部油箱。静止时，所有的油都在油盆里，轴瓦下部浸在油中，启动前不需另外供油。油位可通过轴承座上的一个孔受到监测。当轴旋转时，油自动地在油盆和上油箱之间进行循环。油盆内的毕托管把油吸进并导向上油箱，油然后从上油箱经轴承体流回油盆。泵水轮机的导轴承里的每一旋转方向需要一个毕托管。在正常运行时，几乎所有的油都集中在上油箱中。

这种轴承结构无需轴领，可有效减小主轴与轴承接触面面积及降低线速度，从而有效保证轴承油温在要求范围内。且该轴承轴瓦可以互换，在工地不需刮瓦，工地安装简单方便。

2、补气系统

水轮机在部分负荷运行时，会在尾水管中产生压力脉动，为改善水轮机运行稳定性，顶盖上设置自动补气装置，空气由顶盖进入，至转轮泄水锥下补气。

补气装置由补气管、补气阀和检修闸阀组成。补气阀采用橡皮膜单向阀，设检修闸阀，能在不停机工况下检修补气阀。

3、机组检修方式

高水头混流式水轮机，由于其水压高，在导水机构和转轮流道内的流速高，特别是在含沙量高的水质条件下运行时。其过流部件的磨损比较大，所以相对发电机而言水轮机的检修机会要大很多，即需要经常装拆水轮机。如果单单为了检修水轮机而需与常规机组一样先拆卸发电机，再拆卸水轮机来检修，会增加很多不必要的工作量，导致检修时间会很长。所以对高水头水轮机可以考虑水轮机下拆结构，这样在每次检修的时候只需单独拆卸水轮机来进行拆卸检修和更换。下拆结构是指在尾水锥管拆后，放下底环，即可更换下固定密封环并对转轮进行补焊打磨等检修工作。这种下拆结构必需要将尾水锥管设计成活动的，周围不能浇注混凝土。

4、结束语

较多干扰水电站机组运行效率及安全的因素中，对于混流式水轮机而言，作为其核心部件的转轮，对水轮机效率的影响不言而喻，因此转轮的优化设计是整个水轮机设计过程中至关重要的部分。通过优化设计得到新的改进方法，同时运用网格划分、计算流体动力学并结合模型试验技术，从而开发出具有优良性能的水轮机转轮，对缩短设计周期、降低开发成本及提升水轮机水力设计整体水平具有重要的理论及实践意义。

参考文献：

[1]汪宝罗.混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述[J].水力发电，20013（2）

[2]李吉川.混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动[J].广西电力技术2009（4）

[3]梅祖彦.抽水蓄能发电技术[J]机械工业出版社，2010

[4]徐海华.不同步导叶对水泵水轮机三维流动特性影响数值分析[J]清华大学，2011