摘要：在抽水蓄能电站当中，水泵水轮机是其机组设备的重要组成部分，其在我国抽水蓄能电站当中的应用非常广泛，针对其中的水力设计以及机械设计的相关技术特点进行分析，能够使设备系统的概念化程度以及集成化程度得到很大的提升，对系统现场调试能力的提高也具有积极的作用，因此，本文就抽水蓄能泵站当中应用的水泵水轮机进行讨论，对其应用过程中的水力设计以及机械设计进行具体分析，希望能够为水泵水轮机的优化设计提供参考，以此来推动抽水蓄能电站的发展。
关键词：水泵水轮机；抽水蓄能电站；水力设计；机械设计
对于抽水蓄能电站而言，其水泵水轮机的具体设计涉及很多参数内容，具体包括水头、流量、转速、功率、吸出高度以及旋转方向等等，而从机组运行工况角度来看，则可以将其分为发电运行、调相运行以及抽水运行，其中，抽水工况在启动方面一般是以变频启动为主。从水力设计以及机械设计的角度对水泵水轮机的应用进行具体分析，能够使机组参数得到进一步的优化，对抽水蓄能电站的发展具有一定的推动作用，因此，针对相关内容加强研究是很有必要的。
一、水力设计分析
1.转轮数值计算
在针对转轮数值展开计算分析的过程中，通常要对水泵以及水轮机工况进行综合的考虑，要确保两者能够在工况合理的情况下进行有效协调，使其性能能够得到充分的发挥。而转轮数值方面的计算分析以及相关设计步骤具体如下：第一，确定水泵水轮机组运行的主要参数，准确界定水泵及水轮机的相关运行工况，然后对两者的工况参数展开分析和计算，选出能够确保两种功能充分发挥的转轮程度，并对相关参数进行具体设计；第二，通常情况下，会将泵运行工况作为出发点对转轮参数进行设计，将泵运行工况参数作为水力设计的重要基础，在完成设计以后的核准工作需要以水轮机运行过程中的工况参数为基准，并根据工况运行的实际情况，运用CFD分析结果在一定范围内对该设计进行适当的调整；第三，在明确所有参数以后，应用专用设计软件进行转轮设计，如叶片翼型设计以及转轮轴面部分的流线设计等等；第四，应用CFX-Turbogrid针对叶片进行单周期结构化网格划分，并使用CFX-TASCflow完成处理计算，从而得出相关参数，如功率、扬程、力矩以及效率等等。
2.双列叶栅水力设计
与常规型的水轮机相比，水泵水轮机的工况运行状态不同，其在翼型方面也会存在较大的差异，因此，需要将水泵水轮机当中的水力进行分开设计，其中，针对水泵工况的设计主要是转轮优化设计，其设计的目的是为了对水泵水力性能进行提升，而针对水轮机自身水力性能的设计则主要通过双列叶栅的优化设计来实现。在完成初始翼型设计的过程中，需要根据水轮机运行期间的工况参数实施二次优化设计工作，具体操作需要采用ANSYS软件来完成。首先，要对转轮高压侧展开高度拉伸，并做好造型处理，完成单周期双列叶栅实体的构建，随后需要进行非结构化的周期网格划分；其次，要对导叶固壁面的边界层实施三棱柱网格加密，形成非结构化的三维双列叶栅网格；最后，在CFX5当中导入所有参数进行双列叶栅联合数值的具体分析[1]。
3.蜗壳数值设计
传统形式的水轮机当中，一般会使用螺型蜗壳的设计，但对于水泵水轮机而言，其蜗壳设计要求相对较高，需要对水轮机工况以及水泵工况的功能参数要求加以满足，但这两种工况在运行参数方面的差别相对较大，因此，需要针对蜗壳展开优化设计。在水泵工况下，主要使用蜗壳对转轮的水流进行收集，并将水流产生的动能向压力能进行转化，在减少水流环量的同时，降低出水损失。而在水轮机工况下，需要使用蜗壳将水流导入至转轮，要求水流具有合适环量以后才能进入导水机。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而为了确保两种工况参数的有效兼顾，需要针对双列叶栅以及蜗壳展开联合数值分析，并根据水流面积的相关变化规律，对蜗壳的设计参数加以确定[2]。
4.尾水管数值设计
对水泵水轮机组来说，水泵及水轮机工况受到尾水管的影响是具有一定差异性的，这与传统形式的水轮机相比存在很大的不同，在水泵水轮机组当中，水轮机工况能量恢复会受到尾水管总高度的影响，但其在水泵工况方面的影响则并不明显。除此之外，如果尾水管直锥段设计较长，能够使水泵工况得到保证的情况下，使水口水流更加均匀，且不会对水轮机工况造成太大影响，因此，在针对水泵水轮机机组确定尾水管参数并进行优化设计的过程中，通常会将其断面设置成圆形或者是椭圆形，相对来讲，其自锥段较长，且经常会对连续扩散型肘管加以应用。在针对尾水管进行数值分析的过程中，需要有划分网格以及实体造型作为支撑[3]。
二、机械设计分析
1.总体设计
具体可以将混流式水泵水轮机方面的机械设计分为四个部分：第一，机组推力轴承的位置设计，通常会使用半伞式设计和悬式设计，具体参数及参考指标涉及经济指标、运行稳定性以及运维指标等等；第二，机组拆装方式，具体包括上、中、下三种方式；第三，尾水管及底环的埋入方式，具体方案如下：一是不埋入尾水管底环和椎管，并且在椎管部分设自由端使其能够进行滑动；二是将底环及椎管全部埋入；三是不埋入底环和椎管，并使用刚性连接进行椎管和肘管道处理；四是埋设蜗壳的方式，主要有直接埋入法、保压埋入法以及垫层埋入法等等，具体方案选择需要根据实际情况来确定[4]。
2.主要部件设计
在转轮方面的设计参数包括动态性能、上下止漏环位置、结构刚度及强度等，同时要做好转轮结构分析工作；在对主轴密封以及随导轴承进行设计时，由于水泵水轮机当中主要应用稀油润滑轴承，其轴瓦面上没斜向上油槽，且主要应用中心支顶，在主轴密封方面，水泵水轮机在封气性、封水性、结构刚性等方面具有较高的要求。除了与常规型混流水轮机具有类似的设计以外，水泵水轮机还需要对静水关闭工况、紧急停机工况、零流量压力工况、水轮机工况等参数进行综合考虑，对于尾水管及蜗壳座环，需要注意尾水管最大承压值。
三、结束语：
综上所述，水力设计及机械设计关系到抽水蓄能电站对水泵水轮机的应用情况，对这两项设计的具体内容进行深入的分析和研究，能够使水泵水轮机的应用得到进一步的优化，因此，相关人员应针对具体内容进行深入的分析，对其设计进行不断优化，使抽水蓄能电站的发展能够得到有效的促进。
参考文献：
[1]肖玉鑫，孙艳艳.水泵水轮机在抽水蓄能电站应用中的水力设计与机械设计分析[J].黑龙江科技信息，2016，13（22）：104.
[2]LIU Wei，刘伟.白莲河抽水蓄能电站水泵水轮机参数选择[C].//中国水力发电工程学会水力机械专业委员会信息网、全国水利水电机电技术信息网2013年会暨技术经验交流会论文集.%中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2013：113-115.
[3]王泉龙.抽水蓄能电站水泵水轮机设计浅析[C].//中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会第17届抽水蓄能学术年会论文集.哈尔滨电机厂有限责任公司，2014：158-164.
[4]YAN Li，严丽，LI Cheng-jun，et al.宜兴抽水蓄能电站水泵水轮机主要结构特点和调试结果[C].//中国水力发电工程学会水力机械专业委员会信息网、全国水利水电机电技术信息网2013年会暨技术经验交流会论文集.%中国水电顾问集团，华东勘测设计研究院，2013：98-101.
论文作者:郭新杰,蒲海明
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/5
标签：水轮机论文; 工况论文; 水泵论文; 水力论文; 转轮论文; 参数论文; 电站论文; 《电力设备》2019年第2期论文;