發電轉速對劉老澗抽水站泵裝置運行穩定性的影響

戴景　蔣濤　劉雪芹　黃從兵　卜舸　仲子夜　許鋒　戴啟璠

摘要：為了研究帶有簸箕型流道的立式軸流泵裝置反向發電時的水力性能，以劉老澗抽水站泵裝置為研究對象，采用CFX數值模擬與泵裝置模型試驗相結合的研究方法，對帶有簸箕型流道的立式軸流泵裝置進行了反向發電工況全流場數值模擬計算，獲得了機組的發電效率、流量等外特性參數以及流道內渦帶的演化規律。研究結果表明：① 劉老澗抽水站反向發電裝置效率與發電轉速有關，全速發電時，最高效率為42.7%;75%轉速發電時，最高效率為47.2%;60%轉速發電時，最高效率為51.3%。② 全速發電時，水泵葉輪葉片的表面載荷分布曲線存在突變。③ 不同的發電轉速在簸箕型流道內均會產生尾水管渦帶并引起低頻水壓脈動，而且水壓脈動的幅值與渦帶強度隨著發電轉速的增加而增加。研究成果可為今后開展該類泵站的泵裝置設計及運行提供一定參考。

關鍵詞：簸箕型流道; 泵裝置; 反向發電; 劉老澗抽水站

中圖法分類號： TV675

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.035

0引 言

泵站發電廣泛應用于平原地區的低揚程泵站中，這類泵站在規劃設計之初完全是按照泵進行設計，工程建成后根據當地的實際需求，在豐水季節利用多余的水進行反向發電，以提高水資源的利用率[1-2]。

劉老澗抽水站竣工于1996年，水泵葉輪的直徑為3.1 m，是國內第一座采用簸箕型流道的具有反向發電功能的大型低揚程泵站[3-4]。 目前，針對泵站反向發電的研究主要集中在發電方式及其運行穩定性方面。比如，戴景等[5]通過對南水北調東線洪澤站的水泵裝置進行反向發電的數值計算，發現在大型立式軸流泵站反轉發電時，會在進水流道內出現類似于水輪機中尾水管渦帶的流動現象;周穎等[6]通過數值計算與模型試驗，發現軸流泵反轉發電時，壓力脈動幅值隨著空化系數的減小而增大，空化系數越小轉輪的不穩定性就會加劇;魏強林等[7]通過對江都三站反向發電實際運行情況開展的研究，發現采用變頻發電方式可以提高發電效率并且不會影響水泵工況的裝置效率;戴景[8]通過對淮安三站四象限電子變頻燈泡貫流泵裝置的飛逸過渡過程開展數值模擬，結果發現該泵站在反轉發電時，機組最大出力對應的水泵葉輪轉速約為水泵額定轉速的60%;李之帆[9]借助于數值模擬的方法，得到了軸流泵做液力透平時最優工況與做水泵運行時最優工況之間的關系，并給出了具體的比例關系。

劉老澗抽水站是目前已經建成投運的唯一一座采用簸箕型流道的具有反向發電功能的泵站。在設計之初，劉老澗抽水站單泵的設計流量偏大，流量系數達到了0.224[10-12]，遠高于南水北調一期工程以及引江濟淮工程新建泵站的流量系數。當泵站在反向發電運行時，簸箕型流道成了水輪機的尾水管，對這種結構的尾水管以及泵型的水力性能方面的研究幾乎為空白。為此，本文結合劉老澗抽水站改造工程，對采用簸箕型流道的大型低揚程泵裝置的反向發電工況的水力性能進行了初步的研究，研究成果可為今后該類泵站的設計運行提供一定的參考。

1泵站概況

在對劉老澗抽水站進行技術改造的過程中，保持了原簸箕形進水流道和虹吸式出水流道型線和尺寸不變。該抽水站的原型泵的葉輪直徑為3.1 m，轉速為136.4 r/min，單泵設計流量為37.500 0 m3/s;模型泵的葉輪直徑為0.3 m，轉速為1 409.5 r/min，對應的設計流量為0.351 2 m3/s。劉老澗抽水站設計凈揚程為3.7 m，最大凈揚程為3.7 m，平均凈揚程為3.4 m。圖1為劉老澗抽水站站身的縱剖面圖。

2三維模型與數值計算方法

2.1三維模型

圖2為劉老澗抽水站原型泵裝置的三維圖，劉老澗抽水站采用的是TJ04-ZL-06水力模型，水泵葉輪的葉片數為3片，導葉的葉片數為5片，原型水泵葉輪的直徑為3 100 mm。

2.2網格劃分

劉老澗抽水站泵裝置總共可以分為簸箕型進水流道、葉輪、導葉、虹吸式出水流道4個部分。對于葉輪與導葉部分，均在TurboGrid中進行結構網格劃分;對于虹吸式流道部分，在ICDM-CFD中進行結構網格劃分;對于簸箕型流道部分，由于其結構復雜而在ICEM-CFD中進行六面體核心非結構網格劃分[13]。葉輪與導葉的網格結構如圖3所示。

2.3數值計算前處理設置

在開展水輪機工況數值計算時，進口邊界條件采用的是壓強，出口邊角條件采用的是自由出流即“Opening”，壁面函數采用的是光滑無滑移系數。在進行定常計算時，將靜止域之間的交界面設置為“None”，將旋轉域與靜止域之間的交界面設置為“Stage”。對于非定常數值計算，是以定常數值計算結果為初始狀態，葉輪每旋轉1°計算一次流場，非定常數值計算的總時間為葉輪旋轉20圈的用時。

3泵裝置模型試驗

原型水泵葉輪直徑為3.1 m，模型泵葉輪直徑為0.3 m，模型比為10.33。原型泵葉輪的轉速為136.4 r/min，根據等nD相似換算得到模型泵裝置葉輪的轉速為1 409.5 r/min。泵裝置由簸箕型進水流道、水泵葉輪、后導葉和虹吸式出水流道共同構成，對全部過流部件均按照同一模型比進行縮小后，再加工成模型泵裝置。安放在試驗臺上的模型泵裝置如圖4所示。

圖5為劉老澗抽水站水輪機工況泵裝置的外特性數值模擬值與模型試驗換算至原型值[14-16]的對比。在設計工況下，泵裝置水輪機工況的外特性數值模擬結果與模型試驗結果吻合度較高，泵裝置效率與流量的相對誤差均小于0.6%。綜上所述，本文數值模擬結果與模型試驗結果吻合度較高，數值模擬能夠較為準確地反映泵裝置的水力性能。

4結果與分析

4.1不同發電轉速下泵裝置的能量特性

劉老澗抽水站的反向發電裝置效率與發電轉速密切相關，如圖6所示。當水泵葉輪轉速較高時，泵裝置的效率較低;而當葉輪轉速降低時，泵裝置的發電效率會顯著上升。值得注意的是，泵裝置的發電效率的高效區同樣會受葉輪轉速的影響，高轉速的時候高效區偏向低水頭方向，低轉速的時候高效區偏向高水頭方向。流量隨轉速的變化則基本上是單調的，水頭相同時，轉速越高泵裝置的流量越大，而相同轉速時，流量隨水頭的變化基本上是單調遞增的。

4.2不同發電轉速水泵葉輪葉片表面載荷分布

圖7為軸流泵葉片表面流線分布示意圖。從葉片輪轂側至葉片外緣側依次劃分為Span=0.05、Span=0.50、Span=0.95共3條流線。

不同的發電轉速對水泵葉輪葉片的表面載荷分布有著較為明顯的影響。如圖8所示，高轉速時，水泵葉輪葉片工作面與背面的載荷分布曲線的差值要大于低轉速時的差值。工作面與背面的載荷差值直接反映了葉片對外做功的能力，相同水頭下轉速越高葉片對外做功能力越差。同一工況下，水泵葉輪葉片外緣的載荷分布曲線的工作面與背面的差值大于靠近輪轂側流線上的載荷差值，這說明葉片外緣流線的做功能力大于葉片靠近輪轂側流線的做功能力;高轉速時，水泵

葉輪葉片表面載荷分布曲線上出現了明顯的“不平滑”現象，這說明流線上的載荷分布并不是均勻

的，可以進一步地說明此時葉片表面的流動出現了脫流、旋渦等不良流態[17]。這一點葉片外緣的流線比葉片輪轂側的流線更為嚴重，而轉速較低時載荷突變這

種情況幾乎沒有。顯然，降低水泵葉輪發電轉速，有利

于提高水泵葉輪內部流動穩定性。

4.3簸箕型流道內部流動特性

相同發電水頭下，轉速越高簸箕型流道內的流線越紊亂。如圖9所示，尤其是在簸箕型流道的鼻端，轉速越高時鼻端的旋渦越明顯，回流也越強，這也直接導致了高轉速時簸箕型流道的水力損失越高。當發電轉

速降低時，泵裝置的流量也在減小，簸箕型流道內的流態有了明顯的改善，在簸箕型流道的鼻端未見明顯的旋渦與回流等不良流態，低轉速時整個簸箕型流道內流態較為平順。這也說明，發電轉速的降低有利于改善簸箕型流道內部流動特性。

4.4簸箕型流道內部水壓脈動

圖10為非定常數值計算水壓脈動監測點的示意圖。

為了定量地描述監測點的水壓脈動特性，引入了壓力脈動系數Cp[18]。如圖11所示，當監測點位置靠近葉輪室時，水壓脈動的主頻以1倍的葉片通過頻率為主，但幅值隨著葉輪轉速的增加而增加;當監測點的位置逐漸遠離葉輪室時，水壓脈動的主頻出現了明顯的下降，主頻值約為0.45 Hz，這一數值已經遠遠低于水泵葉輪葉片的通過頻率，而更接近根據村上光清經驗公式[19]計算得到的水輪機尾水管渦帶引起的低頻水壓脈動的主頻值，即主頻約為轉速的1/240，這一頻率特性在不同轉速下均會出現，但幅值則隨著轉速的增加而增加。

綜上所述，劉老澗抽水站在反向發電運行時，即使發電轉速不同，但在喇叭管底部至簸箕型流道內均出現了類似由水輪機尾水管渦帶引起的低頻水壓脈動，而且幅值受轉速單調影響，轉速越高幅值越大。

4.5簸箕型流道內渦帶

劉老澗抽水站不同轉速反向發電時在簸箕型流道內均出現了明顯的渦帶。如圖12所示，與水輪機尾水管渦帶[20]以及帶有肘形流道反向發電泵站不同的是，由于簸箕型流道的結構特殊性，簸箕型流道內的渦帶并不是一個完整的渦帶，而是在中隔墩與流道下底板的共同作用下被破碎成若干個較小的渦帶，這種流動特性不僅降低了尾水管本應有的水力功能，更是由于流態的紊亂容易誘發水力振動;簸箕型流道內的渦帶隨著轉速的增加也在逐漸增強。

5結 論

（1） 劉老澗抽水站改造后的泵裝置可以反向發電運行，但需要對泵裝置的發電轉速進行調節，如采用變頻機的機械變頻方式，較低的發電轉速不僅可以獲得較高的發電效率，同時還可以提高泵裝置的流動穩定性。

（2） 反向全速發電時，從葉輪葉片表面載荷分布曲線上可以判斷出水泵葉輪葉片表面會出現脫流的情況，由于葉輪是重要的功能轉換部件，葉輪葉片表面的脫流會引起水泵的喘振。

（3） 反向發電時，簸箕型流道內出現了類似于水輪機尾水管渦帶的流動情況，并在喇叭管底部至簸箕型流道內產生了低頻水壓脈動。但由于流道結構形式的特殊，主渦帶在中隔板的影響下被破碎成若干較小的渦帶，在簸箕型流道內產生旋渦、回流等不良流態，然而隨著發電轉速的降低，這種不良流態得到一定程度的改善。

（4） 簸箕型流道由于結構的特殊性，并不適用于具有反向發電功能的大型泵站。

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（編輯：趙秋云）

Abstract：In order to study the hydraulic performance of the pump device when the vertical axial flow pump device with the dustpan-type channel generates power reversely，taking the pump device of Liulaojian Pumping Station as the research object，the CFX numerical simulation and the pump device model test were combined to conduct numerical calculation of the whole flow field.The external characteristic parameters such as the power generation efficiency and flow rate of the unit and the evolution law of the vortex belt in the flow channel were obtained.The results showed that the efficiency of reverse power generation device was related to the power generation rotation speed，the maximum efficiency was 42.7% at full speed，47.2% at 75% speed and 51.3% at 60% speed.There was a mutation in the surface load distribution curve of the pump impeller blade under full speed power generation.Vortex band of draft tube and low frequency water pressure fluctuation were produced in dustpan channel under different power generation speed，and the amplitude and intensity of water pressure fluctuation increased with the increase of power generation speed.

Key words：dustpan channel;pump device;reverse power generation;Liulaojian Pumping Station