清遠長短葉片水泵水輪機水力研究及模型試驗

杜榮幸，陳梁年，德宮健男，王　慶，榎 本保之（.東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 3006；.株式會社東芝，日本 東京 05-800）

清遠長短葉片水泵水輪機水力研究及模型試驗

杜榮幸1，陳梁年1，德宮健男2，王慶1，榎 本保之2
（1.東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式會社東芝，日本 東京 105-8001）

摘要：根據東芝公司對長短葉片轉輪水泵水輪機的長期研究結果，對其主要特點進行了簡要總結，并介紹了清遠電站長短葉片轉輪水泵水輪機的水力開發、模型試驗以及瑞士洛桑聯邦理工學院中立試驗臺驗收試驗的主要情況。

關鍵詞：水泵水輪機；長短葉片；CFD解析；模型試驗；驗收試驗

1　前言

清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市的清新縣太平鎮境內，是一座日調節型純抽水蓄能電站，安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發電電動機組，單機容量（發電工況）320MW，總裝機容量1280MW，是我國目前已建及在建抽水蓄能電站中單機容量最大的電站。于2009年進行國內公開招標，由東芝水電設備（杭州）有限公司中標并簽訂合同。在機組選型中采用了東芝新型長短葉片轉輪水泵水輪機。本文根據東芝公司對水泵水輪機長短葉片轉輪的長期研究結果對其主要特點進行了簡要總結，并針對清遠電站水力開發、模型試驗以及瑞士洛桑聯邦理工學院中立試驗臺驗收試驗的主要情況進行介紹。

2　長短葉片轉輪特點及應用

長短葉片轉輪是一種沿圓周方向交替布置長葉片和短葉片的新型轉輪，因其在運行中比常規葉片轉輪具有更高的水力穩定性而受到矚目。東芝公司在世界范圍內率先開始了對長短葉片水泵水輪機的研究，2003年，世界上第一臺長短葉片水泵水輪機——由東芝公司研發生產的安云電站（更換轉輪改造）長短葉片轉輪成功投產發電，標志著長短葉片水泵水輪機應用時代的到來。此后，由東芝公司研發生產的神流川電站也采用了長短葉片轉輪，首臺機于2005年12月投入商業運行。

隨著安云、神流川等電站的投運，長短葉片轉輪水泵水輪機的優越性已被逐步證實。長短葉片轉輪具有的多個葉片可以顯著降低葉片負荷、抑制部分負荷運行時的轉輪內部發生的流體的偏向以及二次流的發生，在壓力脈動、振動等方面長短葉片轉輪明顯優于常規葉片轉輪，具有如下特點：

（1）性能變化平緩，適應較大的水頭變幅；

（2）壓力脈動降低；

（3）空化性能提高；

（4）效率、尤其是部分負荷效率提高；

（5）轉輪剛性好，強度和可靠性得到提高。

3　清遠電站水泵水輪機主要參數

型式立軸、單級、混流可逆式水泵水輪機

最大毛水頭/揚程 504.5m

最小毛水頭/揚程 449.3m

額定凈水頭470.0m

水輪機額定功率326.5MW

水泵最大輸入功率 331.0MW

額定轉速428.6 r/min

飛逸轉速630（定常）/690（瞬態）r/min轉輪公稱直徑2.242m

最小吸出高度-66m

4　基于CFD的水力設計及優化

模型轉輪開發基于東芝公司類似比轉速基礎轉輪及豐富的水力設計經驗，流道中的每個部件均通過計算流體力學（CFD解析）進行優化。

（1）蝸殼

蝸殼截面尺寸優化基于傳統的一維理論，目的是為了使從流道進口到流道末端的平均流速保持圓周恒定，固定導葉進口的流動角度盡可能的保持一致。此外，安裝在座環上、下環板外側的導流圓板引導著水流平緩地進入固定導葉，蝸殼截面數量與固定導葉個數相等。

（2）固定導葉和活動導葉

考慮到與轉輪葉片總數10的組合中可能產生的轉輪振動模式的情況，活動導葉的數量定為16個，固定導葉的個數也定為16。

在從強度方面確定厚度或截面積的同時，導葉的幾何形狀通過CFD進行優化以使水力損失減小。選擇固定導葉和活動導葉之間最合適的圓周相對位置，使在水力最大開度時的水力損失達到最小。在最后的設計中，還將對卡門渦脫流的情況進行檢查。水輪機額定工況點及水泵最小揚程附件的解析結果見圖1。

圖1　固定導葉和活動導葉解析結果

（3）轉輪

為了使長短葉片轉輪(5長/5短)適合于其自身出色的水力性能和振動特性，針對長葉片和短葉片的翼型分別進行CFD優化設計。除了水泵工況短葉片的進水邊外，水泵工況的進水邊和水輪機工況的出水邊制作成抑制空化發生的鈍頭形狀。水泵的揚程-流量特性曲線的傾斜程度，可以滿足最高揚程下的最大揚水量和最小揚程下的最大輸入功率的要求，大傾斜度的曲線將有助于水泵空化特性的改善。對相鄰長葉片的出水邊開口進行優化，以達到在水輪機工況時轉輪水流出口徑向方向的流速均勻分布，使水力損失和尾水管壓力脈動減少。

（4）尾水管

尾水管形狀優化的目的是為了使水輪機水流進口和出口之間水力損失達到最小。尾水錐管必須足夠長，用以消除偏流現象和水泵工況中轉輪進口的紊流現象。尾水管肘管設計成在調相運行時可減少向下池泄漏壓縮空氣量的形狀。

水泵水輪機的CFD優化不僅只針對設計工況，對于部分負荷及非設計工況也作了綜合考慮，因此將有助于水泵水輪機整體性能的提升。非設計工況下的優化主要課題包含：

①水泵工況下回流區向高揚程側移動；

②水輪機部分負荷工況下，轉輪進口非定常空化的抑制以及二次流的抑制；

③非設計工況下，各部位壓力脈動的控制等。

東芝公司的最新CFD解析技術可以將靜止部件和旋轉部件整體作為計算模型進行處理，由此可以研究靜止部件與旋轉部件的設計匹配問題，從而使得解析結果更加準確。

5　初步模型試驗

初步模型試驗在位于日本橫濱的東芝能源工業系統研發中心的水力研究所2號試驗臺上進行，試驗臺主要參數及試驗條件如下：

最大試驗水頭/揚程200m

最大流量0.8m3/s

測功電機功率460 kW

最大轉速3 000min-1

模型轉輪直徑DM300mm

模型至原型比尺7.4733

相似性從蝸殼進口至尾水管出口的全流道相似

試驗水頭60m

模型試驗按照IEC 60193（1999）（國際電工技術委員會：《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》）規程進行，試驗內容包含：水泵效率試驗、水輪機出力試驗、水泵功率試驗、水輪機空化試驗、水泵空化試驗、飛逸轉速試驗、導葉水力矩試驗、壓力脈動試驗、四象限特性試驗、頂蓋壓力試驗、軸向水推力和徑向水推力試驗、蝸殼和尾水管差壓試驗、水泵工況下零流量揚程試驗、模型機尺寸檢查。

根據初步模型試驗結果，全部性能滿足合同要求。因為主要的性能試驗項目均有相應的驗收試驗，為節省篇幅，本文將不再綴述，而重點對在第三方試驗臺進行的模型驗收試驗進行介紹。

6　模型驗收試驗

6.1概況

模型驗收試驗于2011年5月30日至7月1日，在作為第三方中立試驗臺的瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）水力機械實驗室PF-3試驗臺進行，南方電網調峰調頻發電公司、廣東省水利電力勘測設計研究院、中國水利水電科學研究院北京中水科工程總公司、株式會社東芝、東芝水電設備（杭州）有限公司等單位的代表和特邀專家參與、見證了驗收試驗。

6.2試驗臺主要參數及試驗條件

瑞士洛桑聯邦理工學院水力試驗室是國際上著名的中立水力試驗室，F3試驗臺的主要參數如下：

最大試驗水頭/揚程100m

最大流量1.4m3/s

測功電機功率300 kW

最大轉速2 500min-1

模型水泵水輪機裝配照片見圖2。

圖2　模型水泵水輪機裝配

6.3驗收試驗項目的主要試驗結果

驗收試驗按照合同要求以及IEC 60193(1999)（國際電工技術委員會：《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》）規程進行，模型驗收試驗項目包含:測量儀器的率定、水輪機效率試驗、水輪機輸出功率試驗、水輪機空化試驗、水輪機壓力脈動試驗、水輪機飛逸轉速試驗、蝸殼壓差、尾水管壓差試驗、水泵效率試驗、水泵輸入功率和流量試驗、水泵二次回流試驗、水泵空化試驗、水泵壓力脈動試驗、水泵零流量試驗、四象限特性試驗、水推力試驗、導葉水力矩試驗、頂蓋壓力試驗、水泵水輪機模型尺寸檢查等。以下將對主要性能試驗項目的模型驗收試驗結果進行介紹。

（1）效率試驗

水輪機工況包括：加權平均效率、最高效率、運行范圍內的最高效率、額定工況點效率及12個導葉開度的完整效率試驗。水泵工況包括：加權平均效率、最高效率、最低揚程工況點效率及22個導葉開度的完整效率試驗。模型到原型的效率修正采用IEC 60193(1999)規定的兩步修正法。驗收試驗結果與初步試驗結果基本一致，全部滿足合同保證值。

（2）水輪機輸出功率試驗

驗收試驗驗證了在470m水頭下，水輪機額定功率滿足保證值326.5MW；在導葉機械最大開度下，水輪機的最大功率可達到336.3MW。

（3）水泵輸入功率和流量試驗

水泵最低揚程(Hst=449.3m)在頻率50.5Hz時，正常換算情況下的原型水泵最大輸入功率為325.5MW，滿足合同保證值331MW的要求。同樣在50.5Hz條件下,不考慮模型到原型的效率換算修正值時，原型水泵的最大輸入功率為332MW。水泵最低揚程（Hst=449.3m）在頻率50 Hz時，在正常換算的情況和不考慮效率換算修正值時，均能滿足原型水泵的最大輸入功率不大于331MW的要求。水泵最高揚程（Hst=504.5m）在頻率50Hz時的最小流量為53.5 m3/s，滿足合同保證值51.76m3/s的要求。

（4）壓力脈動試驗

水輪機工況包括：對指定凈水頭和電站空化系數下的尾水管、轉輪與導葉間、轉輪與頂蓋間的壓力脈動進行了測量，并對尾水管的渦帶情況進行了描繪和拍照。試驗結果表明，在最大水頭和額定水頭的正常運行范圍內，壓力脈動值均小于保證值。額定水頭時、電站裝置空化系數下額定功率及50%功率時的渦帶情況見圖3。

圖3　水輪機工況額定水頭、裝置空化系數時的渦帶情況

水泵工況包括：對指定凈水頭和電站空化系數下的尾水管、轉輪與導葉間、轉輪與頂蓋間的壓力脈動進行了測量，試驗結果表明，在最高揚程和最低揚程的正常運行范圍內，壓力脈動值均小于合同保證值。在零流量運行工況，對2個導葉開度下的壓力脈動進行了測量，壓力脈動值小于合同保證值。

（5）空化試驗

水輪機工況包括：在指定凈水頭（最大水頭、額定水頭、最小水頭）下進行水輪機空化試驗。結果表明：在全部正常運行范圍內，電站空化系數條件下不會出現空化現象。電站空化系數與初生空化系數之比為1.47～2.65，水輪機工況的空化性能有較大的裕度。

水泵工況包括：在指定凈水頭（最高揚程（49Hz、49.8 Hz、50 Hz）、最小揚程（50 Hz、50.5 Hz、51 Hz）、最高揚程和最低揚程之間的2個揚程）下進行了水泵空化試驗。結果表明，在全部正常運行范圍內，電站空化系數條件下無空化運行。電站空化系數與初生空化系數之比為1.36～2.25，水泵工況的空化性能同樣有非常大的裕度。

（6）水泵二次回流試驗

最高揚程（49.8 Hz)與水泵二次回流區的起始點的揚程之間的安全裕量為6.2%，滿足合同保證值的要求。

（7）四象限特性試驗

在水輪機正常運行范圍、水輪機制動工況、水泵正常運行范圍、反向水泵工況和水泵制動工況下進行了模型四象限特性試驗。模型試驗分別在7個導葉開度下進行。水輪機制動工況再增加4個導葉開度條件的試驗。試驗結果表明：水輪機正常運行水頭范圍和頻率變化范圍內,最低水頭起動時遠離不穩定的S特性區（見圖4），不會發生水輪機低水頭無法正常起動的現象。

圖4　四象限特性曲線中的S區域

7　結束語

（1）瑞士洛桑聯邦理工學院中立試驗臺的驗收試驗結果證實了長短葉片水泵水輪機不僅具備高效率、低脈動、空化性能優良等特點，而且穩定運行區域寬廣、性能變化平緩，能適應較大的水頭變幅，并可確保水泵工況高揚程側有足夠二次回流余量，水輪機低水頭側遠離不穩定S區域，可為電站今后的長期安全穩定運行打下關鍵性基礎。

（2）清遠抽水蓄能電站水泵水輪機順利通過了有關各方參與的模型驗收試驗，為國內最大容量的水泵水輪機設計制造奠定了基礎，這也是長短葉片轉輪水泵水輪機將在我國大型抽水蓄能電站中的首次應用，將對我國的抽水蓄能事業產生深遠的影響。

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中圖分類號：TV136.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）02-0012-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.004

收稿日期：2014-10-15

作者簡介：杜榮幸（1977-），男，高級工程師，從事水輪機設計工作。