(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司 江苏省溧阳市 213300)
摘要：为了提高抽水蓄能电站的经济效益，近半个世纪以来水泵水轮机的适用水头逐渐趋于高水头化。在此过程中，水电公司针对高水头化出现的各种问题进行了技术开发。
关键词：水泵水轮机；高水头；水泵水轮机
引言
本文选取其中的三方面内容进行研究：一是对高水头水泵水轮机的信赖性的提高做出大贡献的动静叶片干涉导致转轮振动应力减少的研究开发；二是在高水头水泵水轮机水泵启动和调相运行工况下，水面下压时尾水管内水流变动的相关研究开发；三是为实现高水头水泵水轮机转轮的效率提高和低振动化，所做的长短叶片转轮的相关研究开发等。
1动静叶片的干涉所导致的转轮振动以及静止部位振动问题
1.1动静叶片干涉的振动频率和模式
动静叶片干涉导致的水压脉动，拥有算式（1）的振动频率和模式。
式中：Zs——导叶的数量；
Zr——转轮叶片的数量；
k——因动静叶片干涉而产生的水压脉动的模式所拥有的直径节数；
n、m——任意的整数（一般n=1）。
注：水压脉动以如下所示模式在旋转（见图1），＋模式表示直径节数的模式与转轮旋转是同方向，-模式表示直径节数的模式与转轮旋转是反方向。
1.2真机转轮的振动特性
该算式的左边第一项是转轮在动静叶片干涉所导致的激励振荡的振动频率fr（Hz）的转轮转频N（Hz）之比。也就是转轮以式（2）表示的振动频率（fr）进行激励振荡。
而水压脉动的模式相对于静止部的旋转速度Nms的算式如式（5）所示。
在此值得注意的是，静止部位出现的振动频率，不是一般水轮机上观测到的叶片数×转频，而是其的整数倍。例如，导叶数是20只时，转轮叶片数是6只时，则有20-2=3×6或者20+4=4×6，即在静止部位可以观测到振动频率为转轮叶片数×转频的3倍以及4倍的振动。
1.3转轮在水中的固有频率
转轮振动时，静止部位之间夹杂的水，会从模式示意图中的“+模式”部分往“-模式”部分进行大幅度的移动，因此，水的附加质量效果是非常大的，这样跟空气中的固有频率相比，水泵水轮机转轮的固有频率就会明显降低。k是较少的直径节数时，下降的比例越大，水中固有振动频率下降到在空气中的振动频率的一半以下时，共振的可能性就会越大。
另外，动静叶片干涉的水压脉动导致的共振现象，在导叶厚度较厚的高水头水泵水轮机中，由于导叶尾流速度的损耗大，更容易引起共振。在导叶厚度较薄的低水头水泵水轮机中也会发生，当与式（1）中K所表示的直径节数拥有相同模式的转轮的固有振动频率与式（2）水压脉动导致的激励振动频率fr一致时，就会发生共振，产生振动应力。但是在低水头机组中，转速相对较低，式（2）所示的fr大多数是低于相同模式下转轮的固有振动频率，因此发生共振状态的可能性比较低。
2尾水管充气压水时水面的波动及防止压入空气流失的措施
随着水泵水轮机的适用水头渐渐提高，抽水启动和调相运行工况下，在尾水管内进行压水时，从低水头原型机的实际业绩来看，观测到转轮空转入力比仅考虑转速和转轮直径而推定的值要大。另外，为了保持尾水管内的下压水位，必须增加压缩空气的补给量。
为了查明高水头机组发生的这些不良问题，制作了如图2所示的试验设备。压水时，针对轴入力和气泡的流出量，研究了转轮的转速、下压水位及压入空气量的压力影响。
这个试验装置可以将尾水压力施加到高水头水泵水轮机真机同等以上的1.4MPa（压水深度相当于140m）。从这个研究中，明确了以下信息。
（1）下压状态的水面波动因尾水压力而受到很大的影响。
（2）低水头水泵水轮机尾水下压的情况下，水面会出现跟转轮同方向运转的晃荡运动。此时的水面晃荡转速是晃荡运动固有的振动频率，不受转轮转速的影响。但是晃荡运动波峰值随着转轮转速的增加而增加。而当转速达到某个临界值时，水波顶被强烈的空气对流吹散，小水滴大量的飘浮在空气中，这些小水滴因第二次强烈的空气对流，被吸入转轮，从而造成了空转轴入力的增加。
（3）一旦形成这种状态，水波被吹散造成水面激烈的扰动，从而在水中产生了大量的非常小的气泡。压水产生的缓慢的二次水流将这些气泡送入尾水管下流，导致了压水用空气流失量的增加。
（4）在高水头水泵水轮机高尾水压的情况下，随着尾水压的增加，与低水头机组转轮转速增加时水面的晃动状态是一样的。但随着尾水压的增加，压低空气的密度增加，如同在风速很快的空气对流中一样，给水面带来了强烈的干涉作用。
从以上的试验结果来看，世界上首次明确了高尾水压时水面的波动，需要考虑到空气的密度，依存于密度修正弗劳德数（Froudenumber）而变化。
密度修正弗劳德数：
式中：Fd——密度修正弗劳德数；
U2——转轮出口的周速度，m/s；
D2——转轮出口直径，m；
ρa——压低空气的密度，kg/m3；
ρw——水的密度，kg/m3；
N——转轮转速，r/min。
由上式可知，如果水泵水轮机下池的吸出高度为100m时，ρa基本变为10倍，水面干扰相当于转轮的转速在以大气压下约3倍的速度进行回转。因此，水面的下压水位要考虑这样的影响。尾水管，当吸出高度为130m，下压水位设定在0.4m时，空转力矩就会变小。且压入空气的流失量也会稍微得到抑制。但是如果吸出高度超过140m时，空转力矩、压缩空气流失量就会增加。电站是无法采用这样的吸出高程深度的。
根据这个结果，对尾水管的形状进行了改良，针对吸出高度大且转轮转速高的高水头水泵水轮机，开发了水面下压时空转轴入力和压缩空气流失量较少的尾水管。
3长短叶片转轮的特性改善
3.1提高了水轮机及水泵的效率
叶片的整流作用非常强，能防止二次流带来的损失。这些带来的损耗改善，不仅抵消了因采用多叶片导致叶片表面摩擦损失的增加，也使效率有了增加。另外，长短叶片转轮和多叶片转轮一样，能够在水泵运行时，使水泵出口滑移量（叶片角度和实际流出角度的差）减小。因此即使转轮的直径变小，也可达到所要的水泵扬程。
另一方面，这样比转速小的高水头水泵水轮机，因上冠、下环外表面和水的摩擦所产生的圆盘摩擦损失到达3%，圆盘摩擦损失在转轮转速一定的情况下，是上冠和下环直径的5次方的比例。因此随着滑移量的减小，转轮直径可缩小2%时，圆盘摩擦损失可减少10%，效率可提高0.3%。综上所速，整体上可实现效率提高1%～2%。
3.2水轮机部分负荷运行时的水压脉动减小
通常，水轮机和水泵水轮机在水轮机部分负荷运行时，尾水管内产生回旋流，因此水流不稳定，易产生较大的水压脉动。长短叶片转轮中，跟一般叶片数比较少的转轮相比，水流的整流作用比较强，可减少部分负荷运行时水流的不稳定。
结语
综上，在高水头水泵水轮机的研究开发领域，对水电公司领先世界进行的几个项目的研究情况进行了说明。这次顺利投运的抽水蓄能电站的水泵水轮机，是应用了这些研究成果并进行设计制造的产物。
参考文献:
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[2]陈泓宇，李华，程振宇.清远抽水蓄能电站三台机组同甩负荷试验关键技术研究，水电与抽水蓄能，2016，2（5）.
[3]杜荣幸，王庆，榎本保之，陈泓宇.长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽蓄中的应用，水电与抽水蓄能，2016，2（5）.
论文作者:季海波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/20
标签：转轮论文; 水轮机论文; 水头论文; 水泵论文; 叶片论文; 水压论文; 转速论文; 《电力设备》2017年第25期论文;