（农业水土工程专业论文）大型混流式水泵水轮机转轮的研究.pdf

摘要 本文首先应用c f d 技术和水力设计c a d 软件对深圳抽水蓄能电站水泵水轮机模型转轮进行 了泵工况水力性能优化，研究结果表明：影响水泵工况扬程的主要因素是转轮的出口直径；影响 水泵工况空化性能的主要因素是叶片的进口边位置以及叶片进口处的翼型形状。同时，探讨了在 没有参考模型转轮综合特性曲线下如何预测水泵水轮机模型转轮水轮机工况性能的方法；并应用 理论上的和统计规律的水泵工况与水轮机工况的参数匹配关系深入研究了深圳电站水泵水轮机 模型转轮两种工况水力参数的匹配阔题以及这两种工况下转轮流场的差异 从两种工况的流场分 析得出转轮进出口轴面速度、速度矩的分布规律以及水轮机工况下导叶内水力损失情况，并对比 分析了水泵工况与水轮机工况空化性能的优劣，可为水泵水轮机转轮的设计和研究提供参考数 据。通过深圳电站水泵水轮机模型转轮水泵工况和水轮机工况性能的研究发现：用水泵工况优先， 水轮机工况校核的步序进行选型并对其进行泵工况水力设计的方法，是合理的。 接着，应用三维湍流c f d 技术对宝泉抽水蓄能电站模型转轮泵工况进行了单流道流场计算 与分析，预测了泵工况扬程、效率、空化性能、转轮内部流场的速度、速度矩的分布规律，并将 其性能与试验进行比较，得出了如下结论：c f d 计算所预测的扬程比试验扬程高3 5 m 左右，误 差约为7 ：空化性能n p s h 值在最优工况附近预测准确，在大流量区和小流量区，n p s h 计算 值与模型试验值相差很大，大流量时差值最大，达到3 m 。在宝泉电站转轮流场分析与试验分析 的基础上，比较了宝泉与深圳两电站的模型转轮泵工况流场以及水力参数，发现，深圳电站水泵 水轮机模型转轮的水力参数选择合理，但是空化性能和叶片进口流场不如宝泉电站水泵水轮机转 轮，进而可见国内大型水泵水轮机转轮的研究还有许多工作要做。 再者，应用气液两相流v o f 空化模型，采取依次减少模型转轮水泵工况进口压力的方法对 宝泉电站模型转轮水泵工况进行了空化流场的计算。研究发现：v o f 空化模型能较好地预测转轮 水泵工况的空化性能，在最优工况时所预测的n p s h 与试验值相差很小：大小流量时所预测的 n f s h 值与试验值也相差不多。大约在0 s i n , - 0 8 5 m 之同，比非空化流场计算的n p s h 与试验的 差值小2 - 6 倍；同时还预测了转轮发生空化的部位。这为水泵水轮机转轮运行提供了参考价值。 最后，研究了转轮叶片过流表面粗糙度对水泵水轮机泵工况下效率与空化的影响。采用对数 律壁面函数与三维定常k - e 湍流模型相结合的方法，在考虑粗糙度影响的基础上，对水泵水轮机 模型转轮泵工况下的内部流场进行了模拟。并对模拟结果进行了分析；同时，利用转轮内部流场 数据与微观租糙表面简化几何模型，采用多相流模型对局部租糙叶片表面做微观流场分析。研究 结果表明：粗糙度对转轮效率与空化均有影响。表面租糙度值越大，效率下降越多，叶片表面上 的空化致越大，由此推断叶片表面越易发生空化 关键词：水泵水轮机，模型转轮，水力性能，空化性能。c f d a b s t r a c t f i r s t l y , t h ep a p e ru s e sah y d r a u l i cd e s i g ns o f t w a r ec a d t od e s i g ns h e n z h e nm o d e lp u m p - t u r b i n e r u n n e r0 1 1p u m pc u n d i d o n , t h e no p t i m i z e si tt h r o u g hf o r e c a s t i n gi t sp e r f o r m a n c e sb yc f dt e c h n o l o g y t h er e s u l t sa l et h a t ：t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h eh e a da n dc a v i t a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep u m p c o n d i t i o n 啪r e s p e c t i v e l yt h e o u t l e td i a m e t e ro f t h e1 2 d n n e ra n di n l e ts h a p ea n dt h ep o s i t i o no f t h er u n n e r a e r o f o i l t h em e t h o dh o wt of o r e c a s tt h ep e r f o r m a n c e si nt u r b i n ec o n d i t i o nw i t h o u tr e f e r e n c e dm o d e l c o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i cc l l r y ci sa l s oo b t a i n e d t h eh y d r a u l i cp a r a m e t e r sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt u r b i n e a n dp u m pi sd i s c u s s e do nt h et h e o r ya n dt h es t a t i s t i c s ，t h e nt h ed i f f e r e n c e so ft h ef l o wf i e l do np u m p a n dt u r b i n ec o n d i t i o ni sa n a l y z e d t h eg u l e so ft h em e r i d i o n a lv e l o c i t ya n dc i r c u m f e r e n t i a lv e l o e i t y d i s t r i b u t i o no np u m pa n dt u r b i n ec o n d i t i o n 越s t u d i e d , a sw e l l 嬲t h eh y d r a u l i cl o s so f t h eg u i d ev a n e o nt u r b i n ec o n d i t i o ni nt h er u n n e r i na d d i t i o n , t h ec a v i t a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep u m pa n dt u r b i n e c o n d i t i o ni sa l s oc o m p a r e dt ot e s t i f yt h a tt h ep u m pc a v i t a t i o ni sh e a v i e rt h a nt h et u r b i n e s t h r o u g ht h e r e s e a r c ho ft h ep e r f o r m a n c e su n d e rt h et w oc o n d i t i o n sf o rs h e n z h e nm o d e lp u m pt u r b i n e , i tc a l l c o n c l u d et h a tt h ed e s i g nm e t h o ds t a r t i n go np u m pc o n d i t i o na n dc h e c k i n go nt u r b i n ec o n d i t i o ni s f e a s i b l e s e c o n d l y , t h ep a p e ru s e s3 dn a v i e r - s t a c k 船e q u a t i o na n dt h ek tt u r b u l e n tm o d e lt os i m u l a t et h e s i n g l ep a s s a g e w a yf l o wo ft h eb a o q u a np u m p - t u r b i n er u n n e r , a n dt h eh e a d ，e f f i c i e n c y , c a v i t a t i o n p e r f o r m a n c ea 地f o r e c a s t e da n dc o m p a r e dw i t ht h e t e s t t h ep u m pv e l o c i t ya n dc i r c u m f l u c n c e d i s t r i b u t i o ni sa l s od i s c u s s e d t h ec o m p a r i n gr e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o na n dt e s ts h o wt h a t ：t h el a d f o r e c a s t e db yc f di sh i g h e ra b o u t3 。5 mt h a nt h et e s t s ：t h en p s hv a l u ef o r e c a s t e di sa c c u r a t ei nt h e o p t i m i z e dc o n d i t i o n , b u tt h ed i f f e r e n c eo f t h en p s hv a l u ec a l c u l a t e da n dt e s ti sg r e a tw h e nt h er u m l e r r o r l so nb i gd i s c h a r g ea n ds m a l ld i s c h a r g er a n g e 。e s p e c i a l l y , o nb i gd i s c h a r g er a n g e 。t h ed i f f e r e n c e r e a c h e s3 m b a s i n go na n a l y z i n gr e s u l to ft h eb a n q u a nr u n n e r , t h ep u m pf l o wf i e l da n dh y d r a u l i c p a r a m e t e r so ft h eb a o q u a nr u n n e ra n ds h e n z h e nr u n u e ri sc o m p a r e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h e f l o wf i e l da n dp e r f o r m a n c e si n d i c a t e st h a tt h e h y d r a u l i cp a r a m e t e r s o ft h es h e n z h e n sm o d e l p u r a f - t m b i n ct u m l e ri sr e a s o n a b l e ，b u tt h ec a v i t a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h ef l o wf i e l do fi n l e tf o r s h e n z h e nr u n n e ri sw o r s et h a nb a n q u a n s t h i si n d i c a t e st h a tt h et 瞄c a r c ho ft h er l m n a rf o rp u m p t u r b i n en e e d sp r o m o t e 。 t h i r d l y , t h ep a p e ru s e sv o fc a v i t a t i o nm o d e lt oc a l c u l a t et h ep u m pc a v i t a t i o nf l o wf i e l db y r e d u c i n gt h ep u m pi n l e tp r e s s u r ef o rb a o q u a nm o d e lr u n n e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tv o f m o d e lc a l l f o r e c a s tt h ep u m pc a v i t a t i o np e r f o r m a n c ea c c a m t c l y o nt h eo p f i m i z g dc o n d i t i o n , t h en p s hv a l u e f o r e c a s t e di sa l m o s tt h es a m ea st h et e s t , a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc a l c u l a t i o na n dt e s ti sf r o m0 5 m e t e r st oo 8 5m e t e r sw h e nr u n n i n go nl a r g ed i s c h a r g ea n ds m a l ld i s c h a r g er a n g e ，w h i c hd i f f e r e n c ei s s m a l l e rt w ot os i xt i m e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h en o - c a v i t a t i o ns i m u l a t i o na n dt h et e s t i na d d i t i o n , t h e c a v i t yo nt h eb l a d ei sf o r e c a s t e db yt h ev o fm o d e l a l lo ft h ea b o v er e s u l t sp r o v i d et h ev a l u eo ft h e p u m p - t u r b i n ep e r f o r m i n g l a s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er o u g h n e s se f f e c to nt h ee f f i c i e n c ya n dc a v i t a t i o no f p u m po p e r a t i n g c o n d i t i o nf o rp u m p - t u r b i n e c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to ft h er o u g h n e s s ，l o gl a wo ft h ew a l lf u n c t i o na n d t h r e e - d i m e n s i o n , s t e a d yk - c t u r b u l e n c em o d e la l la 坤u s e dt os i m u l a t et h ei n n e rf l o wo f t h ep u m p - t u r b i n e r u i l n c ro i lt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n b a s i n g 彻t h er e s u l to ft h el u n n e rs i m u l a t i o n , w i t ht h es i m p l i f i e d p h y s i c a lm o d e lo fl o c a lm i c r o - r o u g hs u r f a c eo l lt h eb l a d e ，t h ec a v i t a t i o nm o d e lo fm u l t i p h a s ef l o wi s a p p l i e dt os i m u l a t et h ef l o wo nt h es u r f a c eo f t h el o c a lb l a d e s o m er e s u l t sr r eo b t a i n e dt h a tr o u g h n e s s a f f e c t st h ee f f i c i e n c ya n dc a v i t a t i o no fp u m p - t u r b i n e , t h ee f f i c i e n c yd e c r e a s e sw i t hr o u g l r m e s sv a l u e g r o w i n g s i m i l a r l y , t h ec a v i t a t i o nn u m b e ro f t h eb l a d es u r f a c ei n c r e a s e sw i t ht h er o u g h n e s sv a l u e ，a n d t h ew a t e r - v a p o r n e a r t h eb l a d es u r f a c ea l s od o e sw h i c hl e a d st ot h ei n c i p i e n tc a v i 戗i o i l k e yw o r d s ：p u m p - t u r b i n e , m o d e lr u n n e r , h y d r a u l i cp e r f o r m a n c e , c a v i t a t i o n , c f d 参考文献。8 1 致谢8 5 附录8 6 个人简介9 0 图2 - l 转轮轴面示意图， 图2 2c f x - t a s c g r i d 网格生成流程图 l o 图2 3b u i l d c a s e 模块中边界条件图形界面。1 7 图2 - 4t a s c f l o w 一般前处理器中模型定义界面 图2 - 5 边界条件定义界面 1 7 1 8 图2 6 初始条件界面。1 8 国2 7 求解器求解界面 图2 8 二维与三维控制体定义 图2 - 9 积分点示意图 图2 - 1 0 六面控制体节点与与计算点 图2 1 1 节点编号 1 9 1 9 2 1 图2 - 1 2s 舢方向上计算点编号，2 1 图2 1 3 流道轴面流线 图2 1 4 轴面流道面积随流线的变化规律 图2 1 5 模型转轮流网及叶片骨线 图2 1 6 模型转轮加厚后的轴面、平面及翼型图2 3 图2 1 7 计算域 图2 1 8 轴面流道修改示意图，”2 6 图2 - 1 9 扬程与流量关系。2 8 图2 - 2 0 效率与流量关系图 图2 2 1 n p s h 与流量的关系曲线 图2 2 2 效率与流量关系一。2 8 图2 2 3 净正吸出高度与流量曲线 图2 2 4 扬程与流量曲线 图2 2 5 进口轴面流速沿半径的分布 。2 8 2 9 2 9 图2 2 6 出口轴面流速沿轴向的分布 图2 2 7 从进口到出口轴面速度沿流线的分布 2 9 2 9 弼 图2 _ 2 8 叶片区域下环处轴面速度沿流线分布 图2 2 9 叶片区域上冠处轴面速度沿流线分布。 图2 - 3 0 叶片区域中间流线处轴面速度沿流线分布 图2 3 l 进口速度矩沿圆周的分布一3 0 图2 3 2 出口速度矩沿周向的分布 图2 3 3 速度矩沿流线的分布，一 图2 3 4 设计流量q d 时上冠处的速度分布情况 n 3 0 3 0 3 0 围2 3 5 设计流量q d 时中问流面的速度分布情况图 图2 3 6 设计流量q d 时下环处的速度分布情况。 图2 _ 3 7o $ 8 q d 流量时叶片压力面、吸力面压力分布3 l 图2 3 8q d 流量时叶片压力面、吸力面压力分布 圈2 - 3 91 1 2 q d 流量时叶片压力面、吸力面压力分布 图2 - 4 0 o 8 8 q d 时下环处的涡量模分布 图2 - 4 1q d 时下环处的涡量模分布 图2 - 4 21 1 2 q d 时下环处的涡量模分布图3 3 圜2 4 3o 8 8 q d 中间流面处的涡量模分布 图2 4 4q d 时中间流面处的涡量模分布3 3 图2 4 5i 1 2 q d 时中间流面处的涡量模分布 图2 4 6o 8 8 q d 时上冠处的涡量模分布3 3 图2 4 7q d 时上冠处的涡量模分布 图2 - 4 81 1 2 q d 时上冠处的涡量模分布。 图2 4 9o s s q d 流量时叶片压力面、吸力面的涡量模分布 3 4 3 4 图2 5 0q d 流量时叶片压力面、吸力蕊的涡量横分布3 4 图2 5 l1 1 2 q d 时叶片压力面、吸力面的涡量模分布 图2 5 2 转轮与导叶联合计算域 图2 - 5 3单位流量单位转速曲线 图2 5 4 效率单位转速曲线。 图2 5 5 单位功率单位流量曲线 3 6 3 9 图2 - 5 6 导叶内的水力损失 图2 5 7 滑移面造成的水力损失3 9 图2 5 8 转轮内水力损失3 9 图2 5 9 水轮机工况与水泵空化空化性能比较4 0 图2 - 6 0 导叶前后速度矩沿圆周的分布 图2 6 1 叶片前后速度矩沿圆周的分布 图2 - 6 2 速度矩沿导叶高度的分布 图2 6 3 速度矩沿导叶翼弦的分布 4 0 4 1 图2 6 4 速度矩沿叶片翼弦的分布4 l 图2 6 5 轴面速度沿导叶高度的分布一 图2 - 6 6 速度矩和轴面速度沿转轮出口半径的分布 图2 6 7 轴面速度沿导叶翼弦的分布 4 1 4 1 4 l 图2 6 8 轴面速度沿叶片翼弦的分布。4 l 图2 - 6 9 导叶桔性力沿导叶翼弦的分布4 2 图2 7 0 叶片粘性力沿叶片翼弦的分布， 图2 - 7 l 导叶压力面压力云图。 图2 7 2 导叶吸力面压力云图。 i l l 4 2 圈2 7 3 叶片压力面压力云图 图2 7 4 叶片吸力面压力云图 图2 7 5 导竹及叶片上速度分布。4 3 表2 一l 水泵水轮机泵工况与水轮机工况的性能参数统计 表2 - 2 模型与原型性能数据2 7 表2 - 3 水轮机工况计算工况点进口条件 表2 - 4 水轮机工况计算点工况的计算结果。 表2 5 水泵工况和水轮机工况最优工况点的参数 3 7 3 8 图3 l 高n 台系统图。4 6 图3 2 高i i 台控制系统结构示意图5 1 图3 - 3 测试系统组成框图 表3 1 水轮机工况单位转速8 5 r m i n 转轮的效率。5 5 表3 - 2 水泵工况扬程包络线数据。 袁3 3 水泵工况空化5 6 图4 - 1 计算域 图4 2 效率流量曲线 图4 3 扬程流量曲线 囤4 - 4 n p s h 流量曲线。 图4 5 水力损失流量曲线 图4 - 6 转轮旋转区进口轴面速度 图4 - 7 转轮旋转区出口轴面速度5 9 圈4 8 转轮进口速度矩沿半径的分布， 图4 - 9 转轮出口速度矩沿z 轴的分布5 9 圈4 - l o 转轮进口速度矩沿圆周的分布。6 0 图4 - l i 转轮出口速度矩沿圆周的分布。 圈4 - 1 21 9 5 k g s 流量时中间流线相对速度图，6 0 图4 1 32 3 0 k g s 流量时中间流线相对速度图6 0 图4 - 1 42 6 3 k g s 流量时中间流线相对速度图 图4 1 51 9 5 k g s 流量时叶片压力图。6 1 图4 1 62 3 0 k g s 流量时叶片压力图 图4 1 72 6 3 k g s 流量时叶片压力 图4 1 8 水泵工况扬程试验值与计算值的比较 6 2 图4 一1 9 水泵工况扬程试验值与计算值的比较6 2 图4 2 0 流量扬程曲线 圈4 2 l 效率漉量曲线。 图 2 2 流量- n f s h 曲线 图4 - 2 3 比转速扬程曲线 图4 2 4 比转速单位流量曲线 i v 图4 - 2 5 比转速单位转速曲线 表4 - i 宝泉电站水泵水轮机模型转轮5 9 图5 1 计算域示意图 图5 - 2 扬程随n p s h 的变化规律 国5 - 3 气体体积含量随n p s h 的变化规律 图5 4 效率随n p s h 的变化规律 6 8 6 8 图5 - 5 流量1 9 5 l s 时出口轴面速度洽轴向的分布6 9 图5 6 流量2 3 0 u s 时出口轴面速度沿轴向的分布6 9 圈5 7 流量2 6 3 l s 时出口轴面速度沿轴向的分布 图5 8 各流量时进口轴面速度沿半径的分布 图5 91 9 5 l s 流量、n p s h 6 5 8 m 的气体体积分布7 0 图5 1 01 9 5 1 d s 流量、n p s h4 0 3 m 的气体体积分布， 图5 - 1 12 3 0 u s 流量、n p s h 4 3 4 m 的气体体积分布 7 0 7 0 7 0 7 0 。7 0 图5 1 22 3 0 l ，s 流量、n p s h4 2 4 m 的气体体积分布 图5 1 32 6 3 l s 流量、n p s h 8 2 9 m 的气体体积分布。 图5 1 42 6 3 l s 流量、n p s h6 9 5 m 的气体体积分布 图5 1 5 不同流量不同n p s h 值时叶片上气泡产生及溃灭的区域7 1 图5 1 6 租糙度对水泵工况泵效率的影响 图5 1 7 粗糙度为1 0 0 um 的压力分布 图5 1 8 粗糙度为5 0 pm 的压力分布 7 4 7 4 图5 1 9 租糙度为2 5um 的压力分布7 4 圈5 2 0 租糙度为1 2 5 p m 的压力分布 图5 2 1 粗糙度为6 3 p m 的压力分布 7 4 图5 2 2 租糙度为3 2pm 的压力分布，7 4 图5 - 2 3 表面粗糙度的物理模型7 6 图5 2 4 租糙度为1 6 9 i n 的等压力线 图5 2 5 粗糙度为3 2 1 a n 的等压力线 图5 - 2 6 粗糙度为6 3 9 i n 的等压力线 图5 2 7 租糙度为1 2 5 姗i 的等压力线7 7 图5 - 2 8 租糙度为1 6 p a n 的水等体积比 图5 2 9 粗糙度为3 2 h m 的水等体积比 图5 - 3 0 租糙度为6 31 t u n 的水等体积比 图5 3 1 租糙度为1 2 。5 姗的水等体积比 表5 i 流量为1 9 5 l s 时进1 2 1 条件及计算结果，6 7 表5 2 流量为2 3 0 u s 时进口条件及计算结果，一 表5 3 流量为2 6 3 l s 时进口条件及计算结果6 7 表5 4 计算工况参数 表5 5 各种粗糙度的进口条件， v 表5 - 6 各种租糙度计算条件下的空化数 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名；嗽芝金 时间： 2 。曰年z 月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：张兰金 时间： 。刁年占月7 日 导师签名： 紫妪：c 7 冬e 只7 日 中国农业大学博卜学位论文第一章引言 第一章引言 i 1 课题的提出及研究意义和目的 1 i 1 抽水蓄能电站建设的迫切需要 我国电力需求正发生着实质性的变化，过去是纯粹电力缺乏，现在电力缺乏得到一定缓解， 逐步要求提高供电质量。当电力缺乏时。为了满足日益增长的用电需求，整个电力市场运行机制 核心是围绕着如何多发电，而对于供电质量顾及相对较少；当电力缺乏得到缓解，部分电力市场 开始转向供大于求时供电质量成为首要解决的问题【l j 。上世纪七八十年代投产的一大批大容量 火电机组以及后来投产的核电，增加了电网的基荷容量；然而，随着城市现代化水平的提高和农 村城镇化发展趋势加快。电力负荷峰谷差更大：另一方面，人民日常生活和赢、糖、尖企业对用 电质量( 如周波，电压) 要求在不断提高。迫使电网对供电可靠性有更高的要求；因此，寻求更好， 更可靠的调频、调相和负荷备甩电源已成为电网发展的必然当前，铅海发达地区可开发的水电 资源，尤其是可兴建有多年调节能力的大水库与大电站的资源，几乎开发已尽，常规水电调峰也 受到防洪、供水等综合利用部l 1 的制约，西电东送也只能作为基荷运行，难以满足供电质量的要 求；所以，我国各大电网都迫切要求兴建抽水蓄能电站，以解决电网调峰填谷及调频、调相等问 题1 综上可见。电力工业从卖方市场转向买方市场的战略性调整为水电发展带来了新的机遇， 建设一批有调节库容的大水电站和抽水蓄能电站成为卖方改善和提高产品( 电能) 质量的必 由之路。尤其在东部经济发达地区，多以火电为主构成电网，适当发展抽水蓄能电站，增强调峰 能力，是电网安全、稳定、经济运行的保证；也是缓解电力供需矛盾、提高电网供电质量、满足 电力市场要求的最佳选择。 1 1 2 我国抽水蓄能电站资源现状及技术水平 我国抽水蓄能电站的建设起步较晚，随着电站的普查工作的陆续展开，已普查到电站地址有 2 4 7 个，其中已建成的大型抽水蓄能电站有四个：广蓄一、二期、十三陵、天荒坪和潘家口等抽 水蓄能电站，另外还有一些抽水蓄能电站也将陆续建成。到目前为此，我国抽水蓄能电站装机容 量约5 7 0 0 万k w 。约占全国装机1 3 ：预计到2 0 1 0 年，我国电站总装机容量将达1 7 6 g w 规 划抽水蓄能电站也要占总装机的3 0 o - - , 7 m j ，为实现这样的装机水平，我国的抽水蓄能电站建设 必须加快进程我国抽水蓄能电站技术水平较低，但面临着良好的发展机遇，呈现出可喜的发展 局面。当前，我国抽水蓄能电站水泵水轮机机组转轮的研发尚处于引进、消化、吸收再创新的阶 段；髓着广蓄、十三陵和天荒坪三大蓄能电站水泵水轮机机组设计技术的；l 进，我国水电机组两 大致力于可逆式机组的研发的单位( 哈电机和东方电机) ，已经成功掌握了水泵水轮机转轮以外 郝分过流通道水力与结构设计。并成功完成了白山等多个抽水蓄能电站的可逆式水泵水轮机固定 部分过流通道的水力与结构设计。 中国农业大学博士学位论文第一章引言 i i i l l 1 1 ，3 抽水蓄能电站水泵水轮机枧组的特点 现代大型抽水蓄能电站几乎均采用两机式可逆机组，承轮机可傲水泵运行，发电机可徽电动 机运行。在电力系统负荷处于低谷时( 一股是夜间) 做泵运行，用基荷机组发出的多余电能将下 水库中的水抽到上水库储存起来；在电力系统负荷处于高峰时做水轮机运行，将水放下来发电， 这样把电力系统负荷低谷时的富余电能转化为负荷高峰时的高价值电能，既可以方便电网调度， 也可以用来杌组容量储备。概括起来，拙本蓄能电站具有以下优点：一、改善电两运行的质量； 二、为热力机组的稳定运行提供保障，可以让它工作在最优的效率区，而无需用来调峰运行；三， 跟踪负荷性能好，对电鼹可以起郅消谷填峰的作用；四、抽水蓄能机组具有调频、调相、事故备 用的功能 6 1 。 1 1 4 我国抽水蓄能水泵水轮机开发的主要问题及其所需的研究 我国大型抽水蓄能电站的一些关键设备和技术一直只能从国外引进，就水力设备而言，转轮 一直依赖进口，国内的自主研发能力不足，这势必影响抽水蓄能电站的发展在国内，水电机组 主导生产厂家哈电机和东方电机致力于抽水蓄能机组的研究始于上世纪7 0 年代初期 7 1 ；s o 年代 集中在2 0 0 米以下水头的水泵水轮机转轮的研究并不成功；9 0 年代，针对此种状况，我国大型抽 水蓄能机组招标时采用国内厂家和国外厂家捆绑招标方法，引进了国外水泵水轮机的研制方法， 虽然捆绑招标法使得我国的机组设计水平有所提高，但是，关键部件转轮还是国外厂家的，国内 厂家只是做些结构设计和生产大型部件，如机组座环、顶盖等。我国抽水蓄能电站水泵水轮机转 轮的研发尚处于引进、消化，吸收再创新的阶段，目前转轮的设计还存在问题，不能独立投标。 此外，国外抽水蓄能技术发展很快。大容量高水头水泵水轮机技术复杂，国内与之相比差距很大。 综上所述，我国水泵水轮机转轮的研究技术现状不容乐观，需要以国产化为目标，高起点要 求，下大力发展，尤其加强混流式可逆水轮机机组的研制，赶上国际水平为此，“十一五”规 划中国家确立了抽水蓄能电站成套设备的研发为重大课题，确定哈尔滨电机研究所为科技部定点 的“国家水电设各工程科学研究中心”。同时结合高校科研力量，共同研究抽水蓄能电站设备， 本课题混流式水泵水轮机的研究就是该课题中的一个子课题。 1 2 国内外水泵水轮机转轮的研究现状 1 2 1 国外水泵水轮机的发展及研究现状 国外水泵水轮机的研究起步早，1 8 8 2 年在瑞士的苏黎士修建第一座杂特拉抽水蓄能电站后 嗍，1 9 3 7 年在巴西安装的佩德拉机组和1 9 5 4 年在美国安装的弗拉特昂机组是水泵水轮机机组的 先声，雨后水泵水轮机技术越来越成熟 9 1 。上世纪8 0 年代，模型最优效率水平在s 8 9 缸近 几年由于水力计算和设计水平的提高和c f d 技术的应用，转轮的模型最优效率达到了9 0 9 3 0 o r ”i ，单级混流式水泵水轮机转轮的应用水头超过7 0 0 m ，目前在水泵水轮机技术处于领先的 公司有日立公司、东芝公司、三菱集团、富士公司、阿尔斯通电力公司、伏依特- 西门子水电公司、 2 中国农业大学博士学位论文第一章引言 v a - t e c h 水电公司、g e 水电公司【l l l 等，西欧国家蓄能电站开发已接近饱和，而日本的水泵水轮 机技术始于上世纪年代末，目前技术正处于技术高峰期。并不断往高水大容量方向发展。总 的说来。这些公司研制转轮的方法基本相同，采用c a d 技术和c f d 技术相结合研制性能优异的 水泵水轮机转轮。 从所查文献看，目前国外低水头混流式水泵水轮机技术成熟，相关文献较少；高水头混流式 水泵水轮机技术是研究的热点，主要集中在5 0 0 7 0 0 m 高水头水泵水轮机的研究，涉及的范围在 水力性能、结构性能以及试验等方面。 由于水泵水轮机水头高，水泵水轮机构件所承受的压力大，振动与应力问题成为机组稳定安 全运行的关键问题之一当前，世界各国对此问题的研究成果如下：日本吉田正博1 1 指出6 0 0 7 0 0 m 水头4 0 0 m w 级大容量水泵水轮机转轮设计技术的关键是振动问题。也就是说机组的结构 问题非常重要；藤木繁登l l ”详细介绍了7 0 0 m 水头4 0 0 m w 容量的超高水头水泵水轮机转轮的振 动机理以及研究这类振动问题数值模拟所采用的m s c n a s t r a n 分析方法( 该方法目前在国内 也采用) ，得出2 0 个导叶与6 个转轮叶片配合产生的振动情况，并用静态模型激振试验和实际水 头与实际扬程试验做了验证，最后指出转轮应力的估算方法以及该方法的所具有的误差；而神吉 博【1 4 】介绍了7 0 0 m - 4 0 0 m w 水泵水轮机转轮叶片数分别为6 ，7 与导叶数分别为1 6 ，1 8 、2 0 的各 种配合关系下转轮所产生的压力脉动情况，指出叶片数6 与导叶数1 0 ，7 与2 0 配合好，并用开 发的软件预测转轮在水中振动应力与激振力的情况；而古矢干吉l l s l 介绍了单级7 5 0 m 永头转轮在 水中和空气中的振动特性；池田【l ”等通过对数野川电站l 号机的现场实测论证了7 0 0 m - 4 0 0 m w 超高水头水轮机采用的流体设计技术、结构设计技术、密封技术以及特殊运行技术的正确性和优 越性；c f d 技术作为流态分析技术，3 d - c a d 技术用于结构设计可行。 水泵水轮机转轮的水力研究，主要集中在过流流道参数和叶片参数对转轮水力性能的影响、 水力计算和设计方法、流场数值模拟、模型与真机试验等的研究，公开发表论文以日本学者见多。 其中，流道参数与叶片参数对转轮水力性能影响的研究有：l 、井田富夫”“等详细论证了流道尺 寸误差对水泵水轮机性能的影响；指出座环出口不同流道宽度减少会增高水力损失，减少流量、 出力、水力效率；导叶流道宽度允差在1 内对性能没有影响，但是超过l 会降低性能：转轮进 口高度和转轮出口角也对性能有影响；最后介绍了流道各表面粗糙度对性能的影响，指出合理的 粗糙度允许值。2 、木本裕i l 。】等针对设定的真机规格参数的流道形状进行了叶片数的优化设计。 得出9 个叶片比7 个叶片的转轮性能好的结果。3 、南斯拉夫t o m a zr u s 【1 9 l 对导水机构进行优化， 通过三组不同导叶进行试验研究，得出不同导叶对效率的影响，水轮机工况效率可提高l ，水 泵工况可增加0 5 ；导叶枢轴的位置不同对效率影响可达o 7 ；4 ，德国b u c h m s a i e rh 川 介绍了高水头水泵水轮机数值优化的过程。以及典型水泵水轮机的基本原理及设计准则。水泵水 轮机转轮性能研究中，转轮能量性能、稳定性能和空化性能的研究则比较多。取得的成果丰富； l ，日本n a k a n m m 寸1 1 等针对高水头高转速水泵水轮机转轮部分负荷下转轮压力脉动、空化性能 恶化的问题