预开导叶下水泵水轮机S特性及其压力脉动分析*肖若富1孙卉1刘伟超2王福军1(1.中国农业大学水利与土木工程学院北京100083;2.东方电机有限公司研试中心德阳618000摘要:可逆式水泵水轮机兼具了发电以及储能的特点既满足人们环保意识的需求也满足对功率的平衡与控制。但水泵水轮机在S特性区内运行会发生机组并网困难或者甩负荷过程中水压异常上升,使机组振动加剧。为探究预开启导叶的方法对水泵水轮机S特性的改善,对水泵水轮机模型分别在同步导叶和不同预开启导叶条件下进行能量试验及全流道内流场的(Computationalfluiddynamics,CFD数值计算;通过试验数据与计算结果的对比分析预开导叶后水泵水轮机S特性及其压力脉动特征。CFD计算结果及模型试验数据表明,预开导叶的方法能有效解决水泵水轮机S特性问题,但是预开导叶后,飞逸工况下的单位流量变大,造成转轮内的流动轴对称特性较差,导致机组的脉动加大,尾水管压力脉动幅值较大,运行稳定性较差,所以通过预开导叶的方法来改善S特性仍然存在弊端。关键词:水泵水轮机S特性预开导叶压力脉动中图分类号:TV136AnalysisofSCharacteristicsandItsPressurePulsationofPumpturbineunderPre-openingGuideVanesXIAORuofu1SUNHui1LIUWeichao2WANGFujun1(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083;2.DongfangElectricMachineryCo.,Ltd.,Deyang618000Abstract:Duetothegrowingenvironmentalawarenessanddemandingforthebalancingpowerandfrequencycontrol,therenewableenergysourcesreversiblepumpturbineseemtohavethebothcharacteristicsofpowergenerationandenergystorage.WhilethePumpturbineoperatesintheScharacteristics,thedifficultyinloadingrejectionprocessandunusualincreaseinwaterpressurewilloccur,whichduetothemachinevibration.InordertoexplorethepreopeningguidevaneontheimprovementoftheScharacteristicsofpumpturbine.Firstly,usesthesynchronizationguidevaneandpreopeningguidevanetodotheenergytestandthewholeflowofCFDnumericalflow;Secondly,bycomparingtheexperimentaldatawiththeCFDresultstoanalysistheScharacteristicsanditspressurepulsation;Thenconcludedthat:bypreopeningpartguidevanesthepumpturbinecanavoidtheinfluenceoftheScharacteristicunderthesteadyflow.Whileafterpreopeningguidevanes,theincreaseofunitflowintherunwayconditiondestroyedthesymmetryoftheflowintherunner,whichduetotheincreaseofthepressurepulsationandtheunstableoftheunitoperation.SothereisstillsomeabuseimprovingtheScharacteristicsbypreopeningpartguidevanes.Keywords:PumpturbineSshapedcharacteristicsPreopeningguidevanesPressurepulsation0前言水泵水轮机在其S特性区内运行非常不稳定,通常会经历水轮机工况,制动工况和反水泵工况,并会在三种工况之间来回转换,造成机组转速来回摆动从而导致机组并网困难或甩负荷后不能达到空载稳定以至跳机[12]。在S特性曲线中,机组在同一转速下对应三种不同单位流量,其中一个为负值,在S区域内这种正负关系的转换将会导致转矩产生正反两个方向,极易破坏水泵水轮机的构件。除此之外,在S特性区内的压力脉动状况也将直接影响水泵水轮机的稳定运行,水流的压力脉动是导致水力机组产生振动的重要原因之一[34],特别在大型水力机组中由于其结构刚度相对降低,水流的不稳定流动将导致机组产生振动,影响机组正常运行,严重时还会导致构件发生疲劳破坏。压力脉动的波峰可造成过流部件的瞬时超值载荷,特别在过渡过程,导叶动力负荷可达到正常工况的56倍,而压力脉动的波谷可导致汽蚀提早发生,所以在研究解决水泵水轮机S特性问题上,不能忽略压力脉动的影响。目前针对水泵水轮机S特性方面研究的相关文献相对较少,程云山[5]提出了水泵水轮机S特性区的危害性并且提出几种解决对策;NAKAMURA[6]对高压头、高转速的水泵水轮机的内流场进行了相关的分析研究;游光华等[7]把导叶不同步预开装置(Misalignedguidevanes,MGV应用到天荒坪抽水蓄能电站成功解决了...