水泵水轮机转轮全特性与蓄能电站过渡过程的相关性分析杨琳，陈乃祥（清华大学热能工程系，北京100084）基金项目：国家自然科学基金资助项目（50179018）水力机械的水力过渡过程的主要特征表现在水泵水轮机组和引水系统的水力和机械参数1值及工Ublf通讯联系人1s陈啉，rsE滕ihenningraui-net过渡过程的影响，根据两者之间的相关性调整和优化可逆机转轮设计，该文结合工程算例，采用不同的水泵水轮机转轮全特性曲线，分别对抽水蓄能电站机组可控和不可控等不同状态下的过渡过程进行了模拟计算。计算表明，转轮全特性曲线是影响过渡过程的重要因素之一。根据转轮全特性曲线与过渡过程的相关性分析结果，使用全三维方法进行可逆机转轮设计。在设计过程中适当调整导叶相对高度等参数，改变特性曲线形状，减缓开度线变化斜率，可优化过渡过程。：可逆式水泵水轮机；过渡过程；转轮特性；反问题的变化。这一过程经历水泵、制动工况、水轮机工况、水轮机制动工况和反水泵工况等几个运行区，是决定抽水蓄能电站稳定性的关键因素，在一定程度上将决定抽水电站的主要参数和规模。水泵水轮机转轮的各种正常工况和过渡工况的全部特性总称为全特性，全特性曲线与抽水蓄能电站的水力过渡过程息息相关，在计算机组甩负荷时全特性曲线尤其是S*区的变化将对压力、转速等系统极值产生极大影响，而对于不可控工况全特性的影响则更大。

　　1转轮全特性对系统过渡过程计算的影响江苏宜兴抽水蓄能电站设有4台250MW可逆式水泵水轮机组，机组的大运行水头范围在428.6471.5m之间，属于中高水头。在水道布置、机组参数、管道损失和调压井阻抗等相关参数不变的情况下，分别采用两套转轮全特性（东芝转轮特性和希科转轮特性）对系统过渡过程进行了计算分析。1.1电站和机组的主要参数电站和机组主要参数如表1所示。系统引水和尾水均采用一洞两机布置，两台机组共用一个尾水调压井，导叶关闭规律经优化选取折线关闭规律。

　　表1电站和机组的主要参数表转轮进口额定转速额定流量设计水头/m机组转动惯量GD 1.2对比计算使用的转轮全特性曲线所示为东芝和希科转轮的特性对比曲线，其中希科转轮特性的数据由厂家直接提供，东芝转轮特性数据则由图纸读出。N11为单位转速，Q11为单位流量，M11为单位力矩。可以看出两转轮特性差其他参数均相同的情况下，转轮特性的差别将会导此li对于东芝机组特性该导叶关闭规律仍不十分理想。

　　别较大：1）东芝转轮在大开度时，所能达到的大流量和转矩要大于希科转轮；希科转轮的正流量（正转矩）区的Nu范围要大于东芝转轮，对于相同的额定工况点，在希科转轮特性中离S*区相对较远；2）在正流量区，东芝转轮大开度线变化相对较平缓，而希科转轮变化相对较陡；3）两个水泵水轮机转轮的开度线在制动区均略有反弯，S 1.3过渡过程计算结果的比较本文对两个具体工况（分别用T1和T2表示）进行了对比计算，其中T1工况为两台机组超出力运行，突甩负荷，正常关闭；T2工况为两台机组超出力运行，突甩负荷，一关一拒。

　　1.3.1正常关闭工况当可逆机组在工况点附近运行突甩负荷时，工况点将随着导叶开度的减小而向下移动，并终停留在零开度线上。给出了T1工况导叶关闭机组甩负荷后工况点在不同流量特性上的运行情况。

　　由可见，东芝转轮特性的“”区反弯比希科转轮特性剧烈；工况点在两套东芝转轮特性上的运行情况基本相似，但在套东芝转轮特性上过渡过程线出现S*形状。过渡过程计算的主要结果对比如表2所示。可以看出，在水道系统、管道布置及致系统极值的较大差异。从工程角度上来看，用于计算的希科转轮特性明显优于东芝转轮的计算结果。是T1工况下采用不同转轮特性进行计算所得的过渡过程曲线。图中的流量和转速是相对于额定值的相对量。

　　表2T1工况机组不同转轮特性对比计算结果蜗壳进口大尾水管进口小机组大压力水头/m压力水头/m转速/（r*min-1）东芝转轮特性一东芝转轮特性二希科转轮计算中采用相同的导叶关闭规律，该规律对于希科机组特性相对较优，水轮机工况系统的大压力基本达到了双峰值近似一致的程度，蜗壳进口压力较低，而尾水管进口压力较高（满足抽水蓄能电站机组尾水管进口小压力大于10m的工程要求）；2导叶拒动工况如果甩负荷后导叶拒动，则工况点将沿着等开度线移动，这样将不可避免地进入S*区。不同的转轮特性对于过渡过程的影响十分明显，如所示。

　　过渡过程计算中的主要结果对比如表3所示。

　　可以看出，拒动机组在S*区附近很不稳定，尤其是转速上升很高。

　　表3T2工况机组不同转轮特性对比计算结果计算结果蜗壳进口大尾水管进口小压力水头/m压力水头/m机组大42东芝转轮特性二567.2817.45557.86希科转轮560.从所示T2工况的过渡过程曲线上看，由于机组导叶拒动，在机组中出现了水力振荡。东芝机组由于流量振荡的比较激烈，系统压力上升和下降的幅度都比较大；希科转轮的压力振幅变化则相对2不同转轮特性的过渡过程计算结果分析bookmark2通过两套转轮过渡过程对比计算的结果可以看出，不同的转轮特性，会对整个电站系统造成不同的对于导叶关闭的。情况d工况点n般将随着导叶ublishingH5舶1工况不同转轮特性过渡过程曲线。cnki.net开度的减小而向下移动，直至到达零开度线。由于导叶关闭，流量变化剧烈，从而导致压力的剧烈变化。对比东芝转轮和希科转轮的工况点运行情况（a和c），在甩负荷后，希科转轮开度线的斜率要比东芝转轮开度线的小。东芝转轮的流量变化剧烈，因此系统压力上升也较高。而两次读取的东芝转轮特性（a和b），工况点的变化过程基本相似，但由于特性二上开度线变化更大，压力上升也更高。

　　对于导叶拒动的情况，工况点将沿着等开度线由正常工作区向下移动进入制动区和反水泵区。由于S*特性的存在，转轮中的流动极不稳定，同一个转速可能对应两个以上的流量值，特别是存在一个负的流量值，处于向心水轮机流动状态的机组，会突然转变为反水泵工况，使处于并列状态的机组大量吸收系统功率形成对系统的冲击；而且机组在甩负荷之后一般都会出现周期性的倒流现象，机组流量振荡剧烈。由于水击振荡的存在，流量的往复振荡必然导致压力极值剧烈的往复变化。通过工程计算可知，对于拒动工况，系统压力的极值大多是在工况点即将进入制动区的时刻发生的（即特性曲线中S*区的个拐弯处附近）。对比a和c，此区域内东芝转轮的开度线斜率要大于希科转轮的开度线斜率，即在流量变化率上前者要更剧烈一些，所以容易产生较高的蜗壳进口压力和较低的尾水管进口压力。由于东芝转轮开度线变化的S*特性更为明显，产生的水力振荡也更为剧烈些。

　　3转轮特性对进行可逆机转轮设计的影响目前可逆机转轮的设计方法通常先由水泵工况进行设计，再用水轮机工况进行校核。水泵水轮机转轮的全特性曲线为我们进行可逆机转轮设计提供了有利的信息和帮助。

　　影响关机工况过渡过程的主要因素是工况点的位置，可以考虑适当增大转轮直径，对设计出的转轮全特性曲线进行拉伸，从而使工况点离不稳定区较远，并减缓开度线变化的斜率。

　　拒动工况下，系统压力极值大多在工况点即将进入制动区的时刻发生；全特性曲线中的S*区是一个不稳定区，不可控工况下，工况点在区中的运行将导致剧烈的水力振荡，比转速越小的转轮反弯程度越剧烈；可在设计时适当增加导叶相对高度，放宽设计参数。

　　增加转轮直径或导叶相对高度，会对转轮比转速产生影响，并改变转轮的全特性曲线形状；采用把流速场分解为周向平均分量和周期分量，将空间的三维问题通过周向的Fourier级数展开变成多个二维平面问题求解的三维设计方法可以提高水泵水轮机转轮设计过程对转轮特性的可控性。

　　4结束语在进行转轮设计时，可以适当增大导叶相对高度，使转轮直径相对导叶高度的比例变小，缓和开度线变化斜率；尽量使工况点远离S*区，减缓S*区的反弯是可逆机转轮设计的重点。采用全三维设计方法可以提高水泵水轮机转轮设计过程对转轮特性的可控性。通过提供的双向三维流动特性，结合转轮特性曲线与过渡过程的相关性来优化转轮设计是努力的目标之一。