抽水蓄能電站高水頭水泵水輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā) 季海波

1、抽水蓄能電站高水頭水泵水輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)季海波摘要：為了提高抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益，近半個(gè)世紀(jì)以來水泵水輪機(jī)的適用 水頭逐漸趨于高水頭化。在此過程中，水電公司針對(duì)高水頭化出現(xiàn)的各種問題進(jìn) 行了技術(shù)開發(fā)。關(guān)鍵詞：水泵水輪機(jī)；高水頭；水泵水輪機(jī)引言本文選取其中的三方面內(nèi)容進(jìn)行研究：一是對(duì)高水頭水泵水輪機(jī)的信賴性的 提高做出大貢獻(xiàn)的動(dòng)靜葉片干涉導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪振動(dòng)應(yīng)力減少的研究開發(fā)；二是在高水 頭水泵水輪機(jī)水泵啟動(dòng)和調(diào)相運(yùn)行工況下，水面下壓時(shí)尾水管內(nèi)水流變動(dòng)的相關(guān) 研究開發(fā)；三是為實(shí)現(xiàn)高水頭水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的效率提高和低振動(dòng)化，所做的長 短葉片轉(zhuǎn)輪的相關(guān)研究開發(fā)等。1動(dòng)靜葉片的干涉所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)輪振動(dòng)以及靜止部

2、位振動(dòng)問題1.1動(dòng)靜葉片干涉的振動(dòng)頻率和模式動(dòng)靜葉片干涉導(dǎo)致的水壓脈動(dòng)，擁有算式（1）的振動(dòng)頻率和模式。式中：Zs導(dǎo)葉的數(shù)量；Zr轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)量；k因動(dòng)靜葉片干涉而產(chǎn)生的水壓脈動(dòng)的模式所擁有的直徑節(jié)數(shù)；n、m 任意的整數(shù)（一般n=1）。注：水壓脈動(dòng)以如下所示模式在旋轉(zhuǎn)（見圖1），+模式表示直徑節(jié)數(shù)的模式與轉(zhuǎn)輪旋 轉(zhuǎn)是同方向，-模式表示直徑節(jié)數(shù)的模式與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)是反方向。1.2真機(jī)轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)特性該算式的左邊第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)輪在動(dòng)靜葉片干涉所導(dǎo)致的激勵(lì)振蕩的振動(dòng)頻率fr （Hz）的轉(zhuǎn) 輪轉(zhuǎn)頻N （Hz）之比。也就是轉(zhuǎn)輪以式（2）表示的振動(dòng)頻率（fr）進(jìn)行激勵(lì)振蕩。而水壓脈動(dòng)的模式相對(duì)于靜止部的旋轉(zhuǎn)速度Nm

3、s的算式如式（5）所示。在此值得注意的是，靜止部位出現(xiàn)的振動(dòng)頻率，不是一般水輪機(jī)上觀測到的葉片麴轉(zhuǎn)頻， 而是其的整數(shù)倍。例如，導(dǎo)葉數(shù)是20只時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)是6只時(shí)，則有20-2=3x6或者 20+4=4x6，即在靜止部位可以觀測到振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)乂轉(zhuǎn)頻的3倍以及4倍的振動(dòng)。1.3轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)，靜止部位之間夾雜的水，會(huì)從模式示意圖中的“+模式”部分往“-模式”部分進(jìn) 行大幅度的移動(dòng)，因此，水的附加質(zhì)量效果是非常大的，這樣跟空氣中的固有頻率相比，水 泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的固有頻率就會(huì)明顯降低。k是較少的直徑節(jié)數(shù)時(shí)，下降的比例越大，水中固 有振動(dòng)頻率下降到在空氣中的振動(dòng)頻率的一半以下時(shí)

4、，共振的可能性就會(huì)越大。另外，動(dòng)靜葉片干涉的水壓脈動(dòng)導(dǎo)致的共振現(xiàn)象，在導(dǎo)葉厚度較厚的高水頭水泵水輪機(jī) 中，由于導(dǎo)葉尾流速度的損耗大，更容易引起共振。在導(dǎo)葉厚度較薄的低水頭水泵水輪機(jī)中 也會(huì)發(fā)生，當(dāng)與式（1）中K所表示的直徑節(jié)數(shù)擁有相同模式的轉(zhuǎn)輪的固有振動(dòng)頻率與式（2） 水壓脈動(dòng)導(dǎo)致的激勵(lì)振動(dòng)頻率fr 一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生振動(dòng)應(yīng)力。但是在低水頭機(jī)組 中，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，式（2）所示的fr大多數(shù)是低于相同模式下轉(zhuǎn)輪的固有振動(dòng)頻率，因此 發(fā)生共振狀態(tài)的可能性比較低。2尾水管充氣壓水時(shí)水面的波動(dòng)及防止壓入空氣流失的措施隨著水泵水輪機(jī)的適用水頭漸漸提高，抽水啟動(dòng)和調(diào)相運(yùn)行工況下，在尾水管內(nèi)進(jìn)行壓 水

5、時(shí)，從低水頭原型機(jī)的實(shí)際業(yè)績來看，觀測到轉(zhuǎn)輪空轉(zhuǎn)入力比僅考慮轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)輪直徑而推 定的值要大。另外，為了保持尾水管內(nèi)的下壓水位，必須增加壓縮空氣的補(bǔ)給量。為了查明高水頭機(jī)組發(fā)生的這些不良問題，制作了如圖2所示的試驗(yàn)設(shè)備。壓水時(shí)，針 對(duì)軸入力和氣泡的流出量，研究了轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速、下壓水位及壓入空氣量的壓力影響。這個(gè)試驗(yàn)裝置可以將尾水壓力施加到高水頭水泵水輪機(jī)真機(jī)同等以上的1.4MPa （壓水深 度相當(dāng)于140m）。從這個(gè)研究中，明確了以下信息。（1）下壓狀態(tài)的水面波動(dòng)因尾水壓力而受到很大的影響。（2）低水頭水泵水輪機(jī)尾水下壓的情況下，水面會(huì)出現(xiàn)跟轉(zhuǎn)輪同方向運(yùn)轉(zhuǎn)的晃蕩運(yùn)動(dòng)。 此時(shí)的水面晃蕩轉(zhuǎn)速是晃蕩運(yùn)動(dòng)

6、固有的振動(dòng)頻率，不受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的影響。但是晃蕩運(yùn)動(dòng)波峰 值隨著轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的增加而增加。而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，水波頂被強(qiáng)烈的空氣對(duì)流吹散， 小水滴大量的飄浮在空氣中，這些小水滴因第二次強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，被吸入轉(zhuǎn)輪，從而造成 了空轉(zhuǎn)軸入力的增加。（3）一旦形成這種狀態(tài)，水波被吹散造成水面激烈的擾動(dòng)，從而在水中產(chǎn)生了大量的非 常小的氣泡。壓水產(chǎn)生的緩慢的二次水流將這些氣泡送入尾水管下流，導(dǎo)致了壓水用空氣流 失量的增加。（4）在高水頭水泵水輪機(jī)高尾水壓的情況下，隨著尾水壓的增加，與低水頭機(jī)組轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn) 速增加時(shí)水面的晃動(dòng)狀態(tài)是一樣的。但隨著尾水壓的增加，壓低空氣的密度增加，如同在風(fēng) 速很快的空氣對(duì)流中一樣，

7、給水面帶來了強(qiáng)烈的干涉作用。從以上的試驗(yàn)結(jié)果來看，世界上首次明確了高尾水壓時(shí)水面的波動(dòng)，需要考慮到空氣的 密度，依存于密度修正弗勞德數(shù)（Froudenumber）而變化。密度修正弗勞德數(shù)：式中：Fd密度修正弗勞德數(shù)；U2轉(zhuǎn)輪出口的周速度，m/s；D2轉(zhuǎn)輪出口直徑，m；pa壓低空氣的密度，kg/m3；pw水的密度，kg/m3；N轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，r/min。由上式可知，如果水泵水輪機(jī)下池的吸出高度為100m時(shí)，pa基本變?yōu)?0倍，水面干擾 相當(dāng)于轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速在以大氣壓下約3倍的速度進(jìn)行回轉(zhuǎn)。因此，水面的下壓水位要考慮這樣 的影響。尾水管，當(dāng)吸出高度為130m，下壓水位設(shè)定在0.4m時(shí)，空轉(zhuǎn)力矩就會(huì)變小。且

8、壓 入空氣的流失量也會(huì)稍微得到抑制。但是如果吸出高度超過140m時(shí)，空轉(zhuǎn)力矩、壓縮空氣 流失量就會(huì)增加。電站是無法采用這樣的吸出高程深度的。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，對(duì)尾水管的形狀進(jìn)行了改良，針對(duì)吸出高度大且轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速高的高水頭水 泵水輪機(jī)，開發(fā)了水面下壓時(shí)空轉(zhuǎn)軸入力和壓縮空氣流失量較少的尾水管。3長短葉片轉(zhuǎn)輪的特性改善3.1提高了水輪機(jī)及水泵的效率葉片的整流作用非常強(qiáng)，能防止二次流帶來的損失。這些帶來的損耗改善，不僅抵消了 因采用多葉片導(dǎo)致葉片表面摩擦損失的增加，也使效率有了增加。另外，長短葉片轉(zhuǎn)輪和多 葉片轉(zhuǎn)輪一樣，能夠在水泵運(yùn)行時(shí)，使水泵出口滑移量（葉片角度和實(shí)際流出角度的差）減 小。因此即使轉(zhuǎn)輪的直

9、徑變小，也可達(dá)到所要的水泵揚(yáng)程。另一方面，這樣比轉(zhuǎn)速小的高水頭水泵水輪機(jī)，因上冠、下環(huán)外表面和水的摩擦所產(chǎn)生 的圓盤摩擦損失到達(dá)3%，圓盤摩擦損失在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速一定的情況下，是上冠和下環(huán)直徑的5次 方的比例。因此隨著滑移量的減小，轉(zhuǎn)輪直徑可縮小2%時(shí)，圓盤摩擦損失可減少10%，效率 可提高0.3%。綜上所速，整體上可實(shí)現(xiàn)效率提高1%2%。3.2水輪機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的水壓脈動(dòng)減小通常，水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾水管內(nèi)產(chǎn)生回旋流，因此水流 不穩(wěn)定，易產(chǎn)生較大的水壓脈動(dòng)。長短葉片轉(zhuǎn)輪中，跟一般葉片數(shù)比較少的轉(zhuǎn)輪相比，水流 的整流作用比較強(qiáng)，可減少部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水流的不穩(wěn)定。結(jié)語綜上，在高水頭水泵水輪機(jī)的研究開發(fā)領(lǐng)域，對(duì)水電公司領(lǐng)先世界進(jìn)行的幾個(gè)項(xiàng)目的研 究情況進(jìn)行了說明。這次順利投運(yùn)的抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)，是應(yīng)用了這些研究成果并 進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)物。參考文獻(xiàn)：1何少潤，陳泓宇.清遠(yuǎn)抽水蓄能電站主機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)