（流体机械及工程专业论文）可逆式水轮机转轮的cfd设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 抽水蓄能电站在我国的电网调节中发挥着重要的作用。为了满足我国对电网调节 的需要，我国规划修建十二座大型抽水蓄能电站。但是抽水蓄能技术在我国还比较落 后，迄今为止尚为研制出套成型的设计理论和设计方法，在进行抽水蓄能机组设计 和制造方面同国外存在很大的差距。本文在转轮设计方面作了一些研究，设计出了满 足性能的转轮。 本文在设计中，用一元理论在p u m p c a d 中按水泵工况传统的设计思想设计出最 初的转轮，再用s t a r c d 及t a s c f l o w 对转轮的内部流场进行分析，并对所得转轮 的流速场、压力场进行分析比较，对转轮的基本性能参数做出预测。根据计算结果对 转轮进行修改。直到转轮形状既符合水泵流动状态，又符合水轮机流动状态，并且满 足各项性能指标。 通过本次设计，在水泵水轮机转轮设计中掌握了一些经验，为以后在这方面的发 展打下一些基础。同时，用c f d 和流场解析技术对内部流态进行具体、直观地描述， 弥补传统的经验公式和经验数据的不足，为抽水蓄能机组的水力设计提供了全新的研 究思想和设计方法。 关键词：水泵水轮机转轮流速场压力场c f d _ 华中科技大学硕士学位论文 = = ：= ：= = = = = = = # = = = ；= = 。= = = = = = = = = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t p u m p t u r b i n ep e r f o r m sv e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ev o c e s so f e l e c t r i c a ln e ta d j u s t i n gi n c h i n a i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do fb a l a n c i n ge l e c t r i c i t yn e t , t w e l v eb i gp u m pt u r b i n e s t a t i o n sw i l lb es e tu pi no u rc o u n t r y b u tb e c a u s et h et e c h n o l o g yo fp u m pt u r b i n eg e t s b e h i n d n of u l ld e s i g nt h e o r ya n dw a y sh a sb e e np u tf o r w a r dt i l ln o w t h e r ei sg r e a tg a p b e t w e e nc h i n aa n do v e r s e a s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea u t h o rh a st r i e ds o m e m e a n st od ot h e r e s e a r c hi nr u n n e rd e s i g n i nt h i sd e s i g n ，m o m s t i c a lt h e o r yh a sb e e nu s e di np u m p c a d t og e tt h ei n i t i a li m n i l e r t h i sr u n n e ri sa c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no f p u m p t u r b i n ew i t ht r a d i t i o n a ld e s i g n s t a r c da n dt a s c f l o w h a v eb e e n a p p l i e d i n t ot h ea n a l y z i n go fi n n e rf l o wf i e l d i ta l s o h a sb e e nu s e di n t ot h ec o m p a r i s o no ff l o wf i e l da n dp r e s s u r ef i e l d 、i 也t h et w os o f t w a r e t h es o f t w a r ec a nf u m c a s tt h eb a s i cp a r a m e t e ro f r u n n e r w ec a n n o ta m e n d t h e p a r a m e t e r t o r e d e s i g nt h e r u b n e ru n t i lt h ef i g u r ei sq u i tf i tf o rv e r yi n d e x t h ea u t h o rh a sg r a s p e ds o m es k i l l si nt h ed e s i g no fp u m pt u r b i n e ，w h i c hs e tab a s i c f o u n d a t i o ni nl a t e rd e v e l o p m e n t a tt h es a m et i m e ，c f da n df l u i dd i a g n o s i st e c h n i q u ec a n m a k ef o rt h el a c ko fe x p e r i e n c e df o r m u l aa n dd a t aw i t ht h ew a yo fd e s c r i b i n gt h ei n n e r f l o wf i e l di nd e t a i l t h i sp a p e ro f f e r san e w w a yo f d e s i g n i d e aa n d d e s i g n m e t h o d k e y w o r d ：p u m pt u r b i n e ，r u n n e r , f l o wf i e l d ，p r e s s u r ef i e l d ，c f d i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 抽水蓄能电站的作用1 2 l 1 绪论 抽水蓄能电站是一种特殊的水电站，现代抽水蓄能电站里通常装备着可逆式水泵 水轮机组，既可以从上游水库向下游放水发电( 水轮机工况) ，也可以从下游向上 游抽水耗电( 水泵工况) 。抽水时消耗的电能以势能的形式储存在水库中，发电时再 转换成电能。由于能量在转换过程中必有损耗存在，所以电站的纯发电量为负值。 虽然抽水蓄能电站并不产生电能，但其对现代电力系统的高质量运行的作用却非 常大。图1 所示为抽水蓄能电站在电力系统中的作用的示意表示。 图1 抽水蓄能电站的作用 一般来讲，电力系统的发电质量标准有三个：一是电压在规定范围内并保持稳定； 二是频率在规定范围内并保持稳定：三是电能供应充分并有高度的可靠性。国内外实 践证明，抽水蓄能机组在电力系统中担任调峰、调频、调相、事故备用和吸收多余电 能等方面有明显的功效。供电充足和发电质量提高后，所有用电部门的经济性都随之 改善，城市生活水平也得以提高，总的社会经济效益巨大。概括地说，抽水蓄能电站 在电力系统中的作用有三个方面。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 1 抽水蓄能机组对改善电阿运行的作用 ( 1 ) 抽水蓄能机组是水电机组，起动快速，适用负荷范围广，在电力系统中能很好 地替代火电机组担任调峰作用。 ( 2 、作为水电机组，抽水蓄能机组有很强的负荷跟随能力，在电网中可起调频作用。 ( 3 ) 抽水蓄能机组的利用时数不很高，随时可以作为系统的备用机组。同时还可以 做旋转备用，也就是在并列状况下在发电方向空转，必要时能更快地带上负荷，可以 在很短的时间内转换为发电，其短时间调节能力为装机容量的两倍。 1 1 2 抽水蓄能电站在能源利用上的作用 ( 1 ) 降低电力系统燃料消耗 电力系统中的大型高温高压热力机组，包括燃煤机组和核燃料机组，均不适于在 低负荷下工作。由于电网调节需要而强迫压低负荷后，燃料消耗和厂用电都将增加， 机组的磨损也将加速。在采用了抽水蓄能机组与燃煤机组及核电机组配合运行后，这 些热力机组都得以在额定或较高出力下稳定运行，实现较高的运行效率。 ( 2 ) 改变能源结构 抽水蓄能机组取代的热力机组中有一部分是燃油的蒸汽机组或燃气轮机组。抽水 蓄能的动力来自燃煤热力机组，使用抽水蓄能以后就起到了以煤代油的作用，对改变 燃料结构有重要意义。 ( 3 ) 提高火电的设备利用率 用燃煤机组调峰时要经常改变运行方式或频繁的开停机，因而导致机器的磨损和 经常发生事故。抽水蓄能机组可以替代这些热力机组的调峰任务。使这些机组可以担 负更为稳定的负荷，设备的利用率因而得以提高，寿命可以延长。 ( 4 ) 降低运行消耗 抽水蓄能机组是水力机组，厂用电消耗比常规水电站多些，但只有装机容量的 华中科技大学硕士学位论文 7 3 左右而热力机组的厂用电一般在7 8 。采用抽水蓄能机组后可以有效 地降低运行消耗和辅助设备投资【l l 。 1 1 3 抽水蓄能电站在提商水电效益方面的作用 ( 1 ) 缓解发电与灌溉的用水矛盾 在缺雨地区水库的运用一般是保证灌溉用水为原则，水库上虽建有水电站，却不 能按电力系统的要求来发电。在灌溉季节水电站需要连续发电，实际成为基荷电站。 在非灌溉季节因水量不足而不能发电，根本起不了水电机组应有的调峰作用。在这样 的水电站中如果装设抽水蓄能机组，则可以每天把尖峰放下来的水抽回去，往复循环， 从而避免了发电与灌溉争水，使水电机组得以发挥其调峰作用。实际上，这种水电站 中装设了抽水蓄能机组后，其他的常规水电机组也可以多发电，因而提高了全厂的调 峰能力。 ( 2 ) 调节长距离输送的电力 将西部丰富的水力资源输送到东部沿海地区( 西电东送) 是我国电力建设的一个 特点，今后将有很大的发展。长距离输电的设备投资很高，因而要连续满容量输送， 实际上大部分输送的是基荷电力。然而受电地区的负荷每日要随时间早晚而变化，还 需要在适当地点有一个调节环节。装设抽水蓄能电站是缓和电网与长距离输电矛盾的 重要手段。 ( 3 ) 充分利用水力资源 抽水蓄能电站不仅对火电有节煤效益，对常规水电同样有充分利用水能的功能。 在汛期抽水蓄能电站的调峰填谷任务更加繁重，因为具有调峰能力的常规水电站为了 避免或减少弃水，一般都发满出力，在系统中实际担任了基荷或腰荷。在此期间电网 的调峰能力大为减少。特别是库容小的常规水电站在电网处于低谷时，只有减负荷或 完全停机而弃水。抽水蓄能电站此时正好可以利用常规水电站的弃水负荷来抽水蓄 能，达到充分利用水能的目的。 ( 4 ) 对环境没有不良的影响 华中科技大学硕士学位论文 抽水蓄能电站不发热，不冒烟，不进煤，不出渣，对环境影响极小。相反在电站 的水库或调节池建成后还有助于净化环境，改善景观。抽水蓄能电站具有黑启动功能。 如遇电网严重故障或全网解列，蓄能电站可以在无厂用电的情况下，启动机组做发电 j 云行i 。 】2 抽水蓄能机组的发展概况 1 2 1 国外抽水蓄能技术的发展概况t 在国外，从最早的原始装置算起，抽水蓄能机组已有近百年的历史，但是具有工 程意义的设施，则是在距今五、六十年前才出现的。目前，抽水蓄能技术发展最快的 圈家是美国和日本。 = 战后，由于各国的电力系统迅速扩大和发展，电力负荷的波动幅度加大，调节 蜂谷负荷的任务日趋迫切，于是出现了以电网调节为主要目的抽水蓄能电站，用以承 扯! 调峰和调频的任务。随着机器制造能力的发展，可逆式水力机械应运而生。到了5 0 年代后期6 0 年代，对电力的需求有了快速的增长，电网中相继投入了大量的火力发 电站和原子能电站，这样就必然造成电网经济性问题更加突出。渐渐地，人们意识到 抽水蓄能机组是解决这些问题的最为理想的动力方式。它可以更有效、更经济地发挥 电网中全部或部分发电设备的效能。7 0 年代是抽水蓄能电站发展得最快的1 0 年，可 逆式水力机械机组得到了迅速发展。随着可逆式水力机械理论和设计方法的不断完 善，人们逐渐认识到高水头，大容量的水泵水轮机，可以明显提高经济效益，因此目 前设计并制造这种类型的机组己成为国外各大公司和科研机构的主要研究方向。 1 2 2 田内抽水蓄能技术的发展概况t 我国是世界上水力资源最丰富的国家之一。近年来，随着国内水力资源开发步 伐的加快，抽水蓄能电站的建设越来越为人们所重视，一大批抽水蓄能项目正处于运 4 华中科技大学硕士学位论文 行，建设和规划建设之中。 我国第一台抽水蓄能机组建子1 9 6 8 年河北岗南，水头6 4 m ，容量l 1 0 m w 。1 9 7 2 年又在北京密云安装过两台机组，水头7 0 m ，单机容量为1 2 0 m w 。改革开放后，我 国国民经济得到了迅猛发展，生产和生活用电量逐渐增大，电网负荷及峰谷差也在急 剧增加，大力推动了我国抽水蓄能技术的发展。9 0 年代我国已建成的抽水蓄能电站有 潘家口，广州一期和二期，十三陵，羊卓雍湖，溪口，为我国的电网服务发挥了巨大 的作用。其参数如表1 1 ： 表卜l 我国已建成的抽水蓄能电站 电站名称电站地点电站类型机组型式装机容量水头范围转速 ( m w )( m )( l m i n + 1 岗南河北常蓄结合斜流可逆 l x l 35 9 ，3 12 7 3 2 5 0 密云北京常蓄结合斜流可逆 2 x 1 36 5 2 72 7 3 2 5 0 明湖台湾纯蓄能混流可逆 4 x 2 53 0 93 0 0 潘家口河北常蓄结合混流可逆 3 x 9 08 5 3 5】4 2 8 门2 5 广蓄一期广州纯蓄能混流可逆 4 x 3 0 05 2 3 | s 0 05 0 0 明潭台湾纯蓄能混流可逆 6 x 2 6 73 8 04 0 0 十三陵北京纯蓄能混流可逆 4 x 2 0 04 7 5 4 1 85 0 0 溪口浙江纯蓄能混流可逆 2 x 4 42 7 l 2 3 76 0 0 响洪甸安徽常蓄结合组合式 2 x 5 56 4 ，2 71 2 5 1 0 7 羊卓雍湖西藏纯蓄能混流可逆 4 x 2 2 58 4 2 8 0 97 5 0 天荒坪浙江纯蓄能混流可逆 6 x 3 0 06 0 7 5 1 25 0 0 广蓄二期广州纯蓄能混流可逆 4 x 3 0 05 3 6 ，4 9 45 0 0 尽管目前已经建起了一些抽水蓄能电站，但随着用电量的逐渐增大，这些远不能 满足我国的电网调节要求。据不完全统计，“八五”、“九五”期间我国预计要建大型 抽水蓄能电站1 2 座，装机9 0 0 0 m w 。这1 2 座电站参数如表l - 2 【l 】所示： 这说明我国抽水蓄能事业具有良好的发展前景，发展潜力巨大。但是人们对抽水 蓄能电站的效益认识得比较晚，认识的程度不够深。究其原因，一是我国的电力系统 的规模的发展比发达国家晚，对于抽水蓄能的需要也比较晚；二是我国的电力工业市 华中科技大学硕士学位论文 场化过程相对于其他行业比较慢，至今没有建立起合理的电价体系，峰电和谷电同价， 使得抽水蓄能电站的核算永远处于亏损状态，所以限制了它的发展。这种情况目前发 生了很大的变化，表1 - - 2 1 1 所示的规划中的项目之多是个很好的说明。 表1 2 我国规划修建的抽水蓄能电站 电站名称电站地点电站类型装机容量水头范围年发电量年耗电量电站效率 ( m w )( m )，g w hg w h( ) 张河湾河北纯蓄能 4 x 2 5 03 4 6 2 9 l1 6 7 52 2 0 47 6 0 西龙池山西纯蓄能 4 x 3 0 06 2 6 6 9 81 9 9 92 7 7 67 2 0 板桥峪北京纯蓄能 4 x 2 5 04 0 1 3 4 11 4 6 02 0 0 07 3 0 遥桥峪北京纯蓄能 4 ，8 x 3 0 05 7 8 5 1 81 4 6 01 9 2 07 6 o 呼和浩特内蒙纯蓄能 如凸o o5 1 32 0 0 02 6 6 77 5 0 泰安一级 山东纯蓄能 4 x 2 5 02 2 01 3 3 81 7 8 37 5 o 蒲石河辽宁纯蓄能 4 x 3 0 03 3 01 8 8 02 5 6 07 3 4 荒沟黑龙江纯蓄能 4 x 3 0 04 5 l 4 0 41 4 1 31 8 6 77 5 7 响水涧安徽纯蓄能 4 x 2 5 02 18 1 7 61 6 7 02 3 9 07 0 0 琅琊山安徽纯蓄能 4 x 1 5 01 4 6 1 1 28 5 61 1 7 27 3 0 桐柏浙江纯蓄能 4 x 3 0 02 3 62 0 1 02 7 9 27 2 o 但是由于起步较晚，我国在抽水蓄能机组的制造技术方面，与国际先进水平还有 很大的差距。由于抽水蓄能机组需要双向工作，其水力设计要兼顾两个方面。同时， 由于机组通常工作在很高的水头下，转速高，功率大，需要频繁地启动、停机和反转。 所以，和通常的水轮发电机组相比，其水力设计、结构设计、强度计算、材料以及控 制系统等等方面都比常规水轮机组的要求更高，技术难度更大。 对于常规水轮机组的设计和制造技术，通过三峡电站建设过程中的技术引进和中 外合作制造，我国的设计与制造水平得到了很大的提高，基本上达到了国际先进水平。 可是抽水蓄能机组还没有出现这样一个机会。国内对于中、大型机组的设计，制造技 术还很欠缺，可以说，迄今为止尚未研制出一套成型的设计理论和设计方法，而且制 造技术也还不够完善。当前我们需要充分了解世界各国抽水蓄能机组的发展趋势，学 习他们的设计，建设和管理经验，迅速提高我国抽水蓄能电站的建设能力，早曰实现 我国抽水蓄能机组的国产化，现代化和高效化。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 可逆式机组的发展趋势娜 抽水蓄能电站的水头是决定建设投资的重要参数之一。在抽水蓄能电站功率不变的 情况下，随着水头增加，水泵工况抽水所需的水量减少。于是，建设水库的施工方量 和水工建筑物的投资减少。因此近年大型抽水蓄能电站明显地向高水头发展，其主要 原因为： c 1 ) 随工作水头的提高，由于上水库水位波动而形成机组水头的变化相对值减小， 使水泵水轮机可以经常在较优的效率区工作，而达到最高的效益； t 2 ) 水泵水轮机的工作水头提高后，对于同样的加工难度( 常用水头与转轮直径平 方的乘积h * d 2 来代表) ，可以生产更大容量的机组，增加电站的功率。 ( 3 ) 在同样功率条件下，通过高水头机组的流量要小些，机组本身尺寸随之减小 管道的尺寸也可以减小，有助于减低电站造价。 t 4 ) 高水头水力机组的转速高，对提高电动发电机的效率并减小尺寸有好处。 t 5 ) 纯抽水蓄能电站可以在具有适当地形的高地上人工修建水库，因此更有条件选 择接近电网负荷中心的高水头站址而不向常规水电站那样受河流和地形的影响。 1 3 课题的意义 1 3 1 、抽水蓄能机组田产化的意义 我国水力资源十分丰富，在世界上居首位，理论水电资源为6 8 0 g w ，可经济开 发容量为3 7 0 g w i ”，但是到目前为止，实际开发的水电资源只有1 5 8 ，因此还有很 大的发展空间。但是我国的能源结构是以燃煤为主，随着现代化的电力系统的发展， 应该有相当规模的水力发电容量来承担电网的负荷调节。但由于我国属典型的季风气 候降雨量的时间分布周期性强。于是受季节性径流的影响，很多电站洪水期需要担 负基荷发电，没有太多调节能力，有时需要大量弃水以使水电站参与调蜂。枯水期则 华中科技大学硕士学位论文 由于流量不足调节能力也有限。这样很多水电站的调峰能力不能达到需求，迫使很多 火电厂使用中型热力机组来调峰，而以较高的燃料消耗远离最优工况运行，这样即耗 费燃料又损害设备。目前能够担任调峰的设备有调峰火电机组、燃气轮机组、内燃机 组和抽水蓄能机组等，其中抽水蓄能机组具有独特的工作方式，能够有效地应付负荷 的变化。并且可以兼备水泵和水轮机两种工作方式。抽水蓄能机组的优点是允许提高 电力系统基荷发电量的比重，降低调峰容量的比重；其次，抽水蓄能机组在调节过程 中有发电和抽水两种运行方式，机组的使用率也比装设调峰火电机组要高。还有抽水 蓄能机组电站的投入，可降低夜间单位燃料消耗，以至于向抽水蓄能电站供电时的燃 料消耗比正常情况还低。 所以，虽然我国的水力发电还在高速发展，可以开发的水能资源也还非常多，但 是抽水蓄能电站的建设已经迫在眉睫。上世纪9 0 年代以来建设的广州二期、十三陵 和天荒坪抽水蓄能电站的机组都是具有国际最先进水平的设备，可都是进口的机组。 鉴于我国对抽水蓄能电站的需求与我们的设计制造能力之间的巨大差距，加速开发我 斟自己的抽水蓄能机组的设计制造技术成为当务之急。国内的制造企业已经开始着手 这件工作。本文就是这个努力的一部分。 1 3 2 课题的来源及任务 本课题是受东方电机股份有限公司的委托，参与抽水蓄能机组国产化的研究工 作。具体任务是开发一个3 5 0 m 水头段的可逆式水泵一水轮机的转轮。虽然目前可逆 式机组的工作水头倾向于5 0 0 6 0 0 m 水头，但作为初次尝试，本次设计厂方的要求是 3 5 0 m 水头段的转轮。 本次设计的参数是根据溪口电站的运行参数确定的，该电站的参数如表3 1 所示， 从表3 一l 中数据可以看出，水泵工况站采用的运行比转速为3 7 7 m m 3 s ，但是它的h 。a x 为2 7 6 m ，比转速应当具有4 0 的水平，电站将最大比转速用到了4 0 7m m 3 s ，但是模 型试验表明低扬程运行区转轮叶片进口压力面有较严重的空化现象，因此此转轮对电 站不很理想。 华中科技大学硕士学位论文 表1 3 真机参数 水轮机泵 l 比转速n s = 8 9 3 4n 。= 3 2n 。= 3 7 7n 。，= - 4 0 7 水头mh 。= 2 6 8h r = 2 4 0h 。= 2 2 9h i ，= 2 7 6h i 。= 2 4 2 最优效率 0 9 3 0 1 i 几何参数d 。= 2 2 4 8 md 2 = 1 3 3 0 8 mb 。= 0 2 3 md 0 _ 2 6 1 本课题的目标是设计一个符合以上真机参数要求的模型转轮。由于我们是和东电 同时独立地进行设计，为了降低模型试验费用，厂方要求我们的设计和他们的方案共 用一套固定过流部件，所以实际上转轮的外形尺寸必须要保持与厂方的一致。这对我 们的设计提出了一些限制条件。在后面的设计中将会看到，这样的限制给我们的设计 带来了许多困难，设计难度大大提高。 1 3 3 工作计划 本次课题要作的主要工作是： l 确定设计参数。虽然真机的参数已经给定，但是模型的参数仍有变化的余地。这需 要进行分析以后确定。另外，所要求的真机参数应该是最低参数，如果某些参数能超 过真机的值，也是值得争取的。 2 按水泵工况进行转轮设计，在这个过程中我们可以利用以前开发的水力设计软件 p u m p c a d 。 3 对所设计的转轮进行c f d 计算，分析内部流动特性并预测其性能。当性能不满足 要求的时候，根据对内部流动特性的分析进行改进设计，直到满足要求为止。在这个 过程中，可以利用的软件资源有网格划分工具i c e m 和t u r b o g r i d 以及c f d 分析 软件f l u n e t ，t a s c f l o w 和s t a r c d 。将分步对转轮，转轮加蜗壳和导叶，转轮 加尾水管以及包括转轮的整个通流部件进行计算，由于完成所有这些计算所需时间相 二当多，有可能根据实际情况对此计划作出调整。 4 最终向厂方提交转轮木模图。 9 华中科技大学硕士学位论文 2可逆式水泵水轮机的基础理论 2 1 抽水蓄能机组的类型 在抽水蓄能发展的初期，采用的四机式机组，即一个单元包括台水轮机，一台 发电机，一台电动机和一台泵。显然， 这种机组配置方式在技术上与常规 的水电站和水泵站没有区别，实现起 来没有困难。但是，电站的设备投资 = ，占地面积大，土建工程量大，经 济性比较差。所以，这种形式现在已 经不再采用。 现代抽水蓄能机组采用两种配置 方式即三机式( 组合式) 和二机式 可逆式) 。三机式是指用一台发电 电动机同时带动一台水轮机和一台 泵。 图2 1 和图2 2 是立式和卧式的 三一机式机组的实例。由于电机实现双 向工作比较简单，所以这种配置方式 在技术上的难度也不大。同时，由于 裂和水轮机单独设计，可以在各自的 丁况下得到最佳的效果。而且，在特 图2 - i 立式三机式机组 殊需要时，有多种实现方案可供选 择。例如水轮机可以选择混流式或者冲击式，泵可以选择单级或者多级，单吸或者双 0 华中科技大学硕士学位论文 吸，甚至还可以配置前置泵等等。由于有各种选择，工程实践中还会出现一些新颖的 配置方式。这种配置方式的缺点是，与二机式机组相比，设备投资仍较大。卧式机组 占地面积大，立式机组的厂房结构非常复杂。同时，一台电机带动两台机器，在启停 和连接一脱离方面，还要采取一些措施。 现代抽水蓄能机组，特别是大型机组，主要的还是二机式的机组( 图2 3 ) ，即一 台发电电动机和一台水泵水轮机。在电和水两方面都实现可逆式运行。这种配置方式 的优点是显而易见的：设备投资少，占地面积小，土建工程量小，经济效益高。但是， 实现这种配置需要解决一个关键问题，那就是可逆式水泵水轮机的高性能水力模型的 开发。本文的目标，就是在这方面进行一些探索。 图2 - 2 卧式三机式机组 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 二机式机组 2 2 水泵一水轮机的工作原理 2 2 1 水力机械的可逆性1 1 l 1 2 11 3 11 7 1 叶片式水力机械具有可 hp 7 1 逆性，可以双向运行，不论水 泵或水轮机都可以反方向旋 转，以相反的方式工作。图2 - 4 为离心泵作水轮机和水泵运 行的特性。 图中下标t 代表水轮机， p 代表水泵( 以下同) 。由图 可见双向运行都有较好的效 1 f 一1 1 一 ， ，二：、， ，l 时，7r 、多斗退、 一厂 十7 7 j 叩r 【 l 4 i 一l 一7 图2 4 离心泵作水轮机和水泵运行的特性。 率。离心泵在作水轮机运行时是一个没有活动导叶的水轮机，在水头和转速已定的条 华中科技大学硕士学位论文 件下，其特性曲线只有一条，也就是开机后只能满负荷运行，没有调节能力。由图可 以看出，在n ，： ，时，离心泵作水轮机运行时的流量q t 要比作水泵运行的最优点流 量0 p 大。随着水头的提高，水轮机工况的出力将继续增大，耗水量也不断增加。 高比转速水轮机作水泵运行，其特性曲线很不理想，如图2 - - 5 所示。其水泵工 况的效率要比水轮机工况低得多。扬 程曲线h q 出现两个大的驼峰，说h p 明高比转速水轮机不是一个理想的可 逆式水力机械。 从上可知，常规水泵和常规水轮 机虽都可以双向运行，但离心泵的可 逆性反映在外特性上比水轮机要好得 多。如果在离心泵叶轮四周装上和水 轮机一样的活动导叶，则离心泵作水 轮机运行时耗水量就会降低，效率还 云7 弋 式 7 0e ， 扒! 一 、 q f 常数 将有所提高，两种工况在最优效率点 图2 5 水轮机作水泵运行时的特性曲线 的水头也会更接近些。因此，目前抽水蓄能电站中广泛使用的混流可逆式水轮机就是 以一个离心泵或混流泵型的叶轮为基础，配以近似水轮机的活动导叶和固定导叶而形 成的。 离心泵与混流式水轮机可逆 性的不同，是流动损失的反映。 如果将二者中的流动过程视为一 个热力学过程，那么，当没有能 量损失的时候( 设工作介质为理 想流体) ，该过程是可逆过程，两 个方向的工作特性是完全相同 的。图2 6 a 所示为离心泵叶轮 v - 险2 3 a 、) 形b ，了 图2 - b 进出口速度三角形 华中科技大学硕士学位论文 低压边( 进口) 和高压边( 出1 ：3 ) 速度三角形，如果进口满足无冲击条件，出口没有 滑移( 设叶片数无穷多) ，那么两个三角形中相对液流角都等于叶片安放角。在这种 条件下，只要将三角形中所有矢量的方向反转，泵的速度三角形就变成了水轮机的出 口和进口速度三角形( 图2 6 b ) ，而且同时满足无冲击进口和法向出口( 水轮机最优 u 【况条件) 条件。 但是实际上工作介质不是理想流体，流动过程不是可逆过程。流动损失的一个重 要特点是扩散流动与收缩流动的损失明显不同。例如图2 7 所示的锥管，在相同的 流量下，当水流从左向右流动时( 扩散流) ，可能出现图示的流动分离和较大的损失， 而水流从右向左流动时则不会出现流动分离，损失就比较小。流动损失的另一个特点 是损失的绝对值与流量的平方成正比。 二= 二二二二：二一 _ i 图2 7 通过锥管的流动 在水轮机中，蜗壳和转轮中的流动都是收缩的，所以流动损失比较小。在这种条 件下，水轮机设计中倾向于在蜗壳中取比较大的流速( v 。) 。根据基本方程式 日，：丝堑 g ( 式中下标d 表示高压边，下同) 在一定的水头下，增大v i l d 就可以减小u d ，在一定 的转速下，就是减小转轮直径。这一方面可以降低设备成本，同时也减小了圆盘摩擦 损失( 与直径的5 次方成正比) 和容积损失( v i i d 增加意味着p d 减小，从而密封两端 1 4 华中科技大学硕士学位论文 的压差减小) 。根据反作用度的定义 q ：l 一堕 2 “d 可知水轮机的设计倾向于取比较小的q 值，所以常规设计的水轮机的叶片形状和高压 边速度三角形将如图2 8 a 所示。 l 。厂一7 2 ( 7 图2 8 水轮机和泵高压边速度三角形 反之，由于泵的叶轮和蜗壳内的流动都是扩散流动，水力损失比较大，为了限制 水力损失，就必须取比较大的反作用度或者说使叶轮高压边的圆周分速度v u d 比较小。 这也意味着叶轮直径比较大，圆盘和容积损失也比较大，这是在泵的设计中为保证水 力效率所需要付出的代价。这样，泵的叶片形状和高压边速度三角形将如图2 8 b 所 示【7 j 。 显然，按常规方法设计的水轮机作为泵来运行的时候，叶片和蜗壳内的流动变成 了扩散流动并且速度又比较高，扩散度比较大，所以效率将有明显的降低。反之，离 心泵作为水轮机运行时，叶轮和蜗壳内的流动由扩散转为收缩，显然这并不会引起效 率的降低。这就是离心泵和混流式水轮机可逆性不同的原因所在。正因为如此，可逆 式水泵水轮机必须按照泵的方法来设计。这里所谓的泵的设计方法，就是选取较小的 v u d 和较大的l l d ，也就是选取较大的反作用度q ，或者说选取比较小的高压边叶片角 b d 。当然，转轮、蜗壳等过流部件的其他几何尺寸也都要与此相适应。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 水泵水轮机的基本h 1 1 和常规水轮机或水泵一样，可逆式水泵水轮机的基本参数也包括转轮直径，转速、 水头或扬程、流量、出力或功率、效率、比转速和空化系数。水泵水轮机虽然必须按 照水泵的设计方法进行设计，但它毕竟是用在传统的水轮机的应用场合一水电站，同 时又必须兼顾两种运行方式，所以在考虑它的基本参数时，通常需要将其与常规的水 轮机在相同的运行条件下的参数进行比较，或者对两种工况的最优参数进行比较，以 便设计人员更好地全面考虑参数的取舍。下面将从这个角度出发，对水泵水轮机的基 本参数进行一点探讨，以便于将来在设计过程中作出适当的选择。 为便于讨论，考虑低压边的流动为法向的条件下，将水力机械的基本方程( 欧拉 方- 程) 对于水轮机和泵分别表示如下。 对于水轮机：h ，；上鱼f 生 ( 2 1 ) r h rgl ”d 7 对琢 耻郴譬( 割，( 2 - - 2 ) 式中t - 水轮机 p 泵 h 水头或扬程 k 考虑有限叶片数影响的扬程修正系数 ”一无穷叶片数 这里水轮机不考虑有限叶片数而泵要考虑的原因是水轮机的方程中的速度是进 口速度，而泵的方程中的速度为出口速度。 1 转轮直径 假设混流可逆式机组和常规水轮机的水头及转速相等，即h ，= 日，和 ，= 饰则两 种转轮直径的比值将为 1 6 华中科技大学硕士学位论文 蕊t 阍， ( 2 3 ) 在中低比转速范围内，混流式水轮机的( “。) ，约为0 9 ，离心泵的( p o ) ，约 为0 6 ，现设7 7 ”= 叩= o 9 5 及k = o 8 ( 下同) ，带入( 2 3 ) 式可得：d p i d r = 1 4 4 。 此式说明在同样水头和转速下，可逆式水轮机转轮直径需为常规水轮机转轮直径的 14 4 倍。 2 转速 在混流式水泵水轮机的速度三角形的基础上，为了分析方便，假设泵的进口速度 三角形和水轮机的出口速度三角形是相似的，即有( 。) ，= ( ) ，再假设在 低压边上水泵进口水流和水轮机出口水流都是法向的，则由扬程和水头表达式可以得 到在相同的水头条件下两种工况最优点的转速比值为： 竺：竺： ! ( 2 4 ) r“r1 k # 7 p ，7 r 唧h _ 蝻一i 图2 9 混流式水轮机和离心泵双向运行的效率特性 a ) 混流式水轮机双向运行的效率特性b ) 离心泵双向运行的效率特性 舔一 丛 华中科技大学硕士学位论文 将、，7 b 和k 值代入，得到脚加，= 1 1 8 。 此关系说明水泵工况要达到和水轮机同样的水头，转速应比水轮机高约1 8 。由 f 这个特性，可逆式机组应该有两种转速。但在工程实际上，双速电机的成本比较高， 多数情况下，还是选择种转速，当然转速的选择需要兼顾两种工况。图2 9 是两 种工况下效率与转速的关系，与上面的讨论一致。 3 水头或扬程 抽水蓄能机组常以电站静水头。为分析性能的基准，但水泵理论扬程和水轮机 的理论水头都是按转轮内水流运动条件确定的，并且过流部分存在水力损失。可逆式 转轮在泵工况时产生的理论扬程为 h h = ho + h p 水轮机的理论水头则为 h m = h 。一h ， 式中h ，和坼分别为水泵和水轮机工况的过流部分( 包括引水管路和过流部 件) 的总水力损失。由上两式可得 = 疗。+ 沁+ 峙) 由此可知水泵的理论扬程应比水轮机的理论水头大0 ，+ ) 。水泵水轮机的有 效扬程和有效水头的关系由 h p = h 棚| p 和h，=hm玑r 确定。如果水泵水轮机在同一转速下运行，即蚱= “，并且假设转轮两种工况水流运 动相似时日m = h m ，则可得 h ：，p ：k 刁 r ( 2 5 ) h ， “ 华中科技大学硕士学位论文 代入数值可得h ，q ，= 0 7 2 2 ，由此可知水泵工况比水轮机工况转速高的事实。 需要说明的是，上面的讨论中假定两种工况速度三角形相似，实际上在两种工况 运行时，转速和水头都不会满足前述关系，所以速度三角形并不相似，以上的结论都 是近似的。 4 流量和功率 在选择和设计抽水机组时，一方面要求在设计条件下能使水力性能优化，同时也 希望能充分利用发电机的容量。在两种工况下，电机的视在功率分别为： 水泵工况【9 】： s 沪! ：! 生丝( 2 - - 6 a ) & 2 蒜r u c o s q ph “ 式中：s m 电动机视在功率 c o s = 1 卜功率因数 电动机效率。 水轮机工况【1 0 1 ： s o = 警( 2 - - 6 b ， 式中：s g 发电机视在功率 c o s 先= o 8 5 助率因数 发电机效率。 假设水泵工况时电动机端电压比水轮机工况时发电机端电压低5 ，在s m = s g 时 其能量关系为： 坼h e 绋q _ _ l = 0 9 5 r u 胁器c o s ( 2 - 7 ) h t q t “l 8 g ”。 华中科技大学硕士学位论文 取7 7 m = r g = o 9 7 ，i p 2 珊= o 9 0 代入可得，鳞坼岛= 0 8 5 ，在一j ，。 扬程和水头相等的特殊情况下， 一二 9 绋= o 8 5 。 此值说明在扬程、水头相等及 充分发挥电机作用条件下，水泵流 量比水轮机低约1 5 。在实际中不 同的情况比值会不一样。国外推荐 的几种参数比值如图2 1 0 所示。 5 单位转速和单位流量 为满足实际设计转轮和 电站选型的需要，希望得到水 泵和水轮机两种工况最高效 率点的单位转速最优比值和 单位流量最优比值。， 在水头相等的条件下，两 种工况的转速和最优点流量 是不同的。所以在假定转轮低 压边进出水流部是法向的情 c 。( ( ： 卜、! ! 、 、 一、 、 l 、 ：楚釜一 图2 - 1 0 国外推荐的几种参数比值 图2 】1 混流可逆式水轮机转轮高压边速度三角形 况下，转轮高压边上两种工况的速度三角形如图2 1 1 示，图中a b c 为水泵工况出口 速度三角形，由于泵的出口水流有偏转，出口水流角p 2 p 比叶片安放角d 要小一些。a bc 为水轮机进口速度三角形，假定转轮进口无撞击，则水流角p l t 与叶片安放角b 柏等。另外假定两种工况下绝对速度与切线方向的夹角0 c 是不变的，也就是泵工况的 绝对进口角与水轮机工况是相等的。由图2 1 0 知： 华中科技大学硕士学位论文 因为 则有 等= 等或粤= 等 c z - s ， 堡：丝二坚垡 y 4 u n v o ” 引用f 0 ，= k p ，可得： _ 口：r l h r g h r “汀 将“用单位转速表示，即 化简后可得 及 ( 2 9 ) ：盟( 2 - - 1 0 ) q h e u a e “= 旦6 0 n d = 三6 0 l 拓 l i 厕露 ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 代入数值可得n i l p n i l t = 1 1 2 1 1 6 。 为了求得两种工况下单位流量的最优比值，代入式可得 粤= 等j 孝h 志 c ：一。s ， y - l 打行l i p 、r 玎 p 瑁 r 、 由于v 。和q 是成正比的，上式可写成： 盟：垃上 g i rr l l l pq h p l 1 r 代入数值可得q u p q n t = 0 9 5 o 9 8 6 比转速 ( 2 1 4 ) 比转速是现代水力机械专业中使用很广泛的水力参数，它代表了水力机组的综合 特性。两种工况的比转速常用的计算式为 2 l 鳌 一一一 堑 ： 鳖 二一 堑 = 鳌 一 一k j i 堑 一 堕 或 华中科技大学项士学位论文 水泵 或者 水轮机 ”尝讪、酝 。商划n 、踢 铲警以s s 瓜 ”筹= 3 1 3 n l , 瓜 r 2 铲 、嘲t ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 由最优单位转速和单位流量的比值关系，也可得到两种工况下最优比转速的关系，即 n s _ z _ e ：1 1 7 业鱼坚( 2 - - 1 7 ) t ，h i l t gj ， 代入前面的比值可得刀，行，= 1 3 5 。 7 空化系数 空化系数也是水泵水轮机的重要参数，其值对电站的建设和机组的安全运行都有 很大的影响。对于水泵水 轮机而言，通常决定其空 化性能的是泵工况的空化 系数。 图2 1 2 是一个孤立 叶片绕流时其上的压力分 布示意图。在叶片背面有 两个低压区，第一个在叶 片头部( 如图2 1 2 a ) ，是 水流绕过头部时，由离心 力产生的。在冲角较大的 情况下，还可能出现脱流 而使压力迸一步降低。第 二个在叶片中部( 可能靠 图2 1 2 孤立翼型、水轮机和泵叶片上的压力分布 2 2 迄 华中科技大学硕士学位论文 前或靠后，取决于具体的绕流条件) ( 如图2 - 1 2 b ) ，这是由于叶片的负荷造成的。在 很多情况下，头部的负压尖峰是最低的压力。在泵或者水轮机中，叶片两端的压力不 相同，于是在上述压力分布图上，又叠加了一个从高压边到低压边逐渐降低的压力( 如 图2 - 1 2 c ) 。 对于水轮机工况，叶片头部是高压边，所以头部的压力抬升，这样，头部负压尖 峰的压力将会升高。而在泵工况，头部是低压边，进口负压尖峰的压力将进一步降低。 所以，泵工况叶片表面的最低压力通常比水轮机工况的最低压力更低，空化系数也就 更大。另外，在尾水位高度一定的条件下，尾水管内的水力损失将使水轮机转轮内的 压力升高而使泵叶轮内的压力降低，这是泵工况空化性能低于水轮机工况的另一个原 冈。 两种工况下的空化系数之间，并没有一个确定的比值关系。对于可逆式机组而言， 设计过程中将主要控制泵工况的空化性能。 2 3 可逆式水泵水轮机的技术发展趋势 为提高抽水蓄能机组的效益和满足电力系统的要求i ”1 5 ，近2 0 年来水泵水轮机不 断向着高水头、大容量和高转速方向发展。 2 3 1 高水头化 提高工作水头的好处是： ( 1 ) 水头提高后，水库水位波动引起的水头变化的相对值将减小，可以使机器的运行 工况较少偏离最优工况，从而提高平均运行效率。 ( 2 ) 在同样的功率下，水头提高后流量减小，所以机组和管路系统的尺寸都可以减小， 从而减少电站的投资，提高经济效益。 ( 3 ) 水头提高后转速相应提高，可减小发电机的体积和造价。 ( 4 ) 水头提高后流量减小，所需的库容减小，修建水库受到的限制条件减少，有可能 2 3 华中科技大学顽士学位论文 使电站更接近负荷中心，节省输电线路投资和减小输电损失。 ( 5 ) 水头提高后，同样的加工难度( 通常用h 。【d 2 1 0 0 0 表示) 下，可以制造更大功 率的机组。 因为有这些好处，近年来抽水蓄能电站的水头不断提高。9 0 年代我国建设的4 座大型抽水蓄能电站的水头，一座接近5 0 0 m ，其余的都超过了5 0 0 m ，还有一座超过 了6 0 0 m 。 当然，提高水头也必须克服一些技术困难，主要的困难包括： t ：1 ) 水头提高后，机器的比转速降低，会使效率降低。 t 2 ) 机器的空化性能随着水头的