水泵水轮机“S”特性区流动特性及运行稳定性研究.pdfVIP

摘要

随着全球气候变暖，为了实现双碳目标，我国大力发展清洁能源。抽水蓄能是当今

最具经济性的大规模储能方式，抽水蓄能电站的核心水泵水轮机在水轮机工况空载开度

运行时易进入“S”特性区，在该工况区运行时水泵水轮机内部流动极其紊乱，产生较

大压力脉动，引起机组不寻常振动和噪声，所以水泵水轮机“S”特性区的流动特性和

压力脉动特性是影响机组运行安全的重要因素。本文对模型混流式水泵水轮机两个水轮

机工况和“S”特性区的三个典型工况进行数值计算，主要的内容如下：

（1）划分了水泵水轮机模型的结构化网格，并进行网格无关性验证，确定了各工

况点的误差在合理范围内，基于给定的边界条件，为了实现对流场更准确的模拟，采用

SSTk-ω模型进行定常计算，DDES模型进行非定常计算。

（2）对水泵水轮机“S”特性区的旋涡分布及运动进行研究，首先对压力分布进行

分析，低压和负压处可能有涡的存在。再利用涡识别法进行细致探查，通过对比多个涡

识别法的不同，确定了Omega涡识别法不受阈值选取影响的优势，并发现蜗壳、双列叶

栅和无叶区的旋涡主要出现于反水泵工况，该工况来流方向与转轮旋转方向不匹配，易

形成旋拧流和旋涡。偏离最优工况后，转轮发生流动分离，流道内形成多个叶道涡，严

重堵塞流道，水轮机非最优工况时尾水管内出现螺旋涡带。飞逸工况和水轮机制动工况

的涡带呈柱状，旋转强度较高。

（3）压差分析发现各个工况均是转轮的水力损失最大，熵产分析发现蜗壳和双列

叶栅的能量损失主要发生于反水泵工况，无叶区和转轮入口的熵产率远大于其他区域，

由于边界层效应，转轮靠近上冠和下环的流面能量损失大于中间流面。尾水管的能量损

失受涡带影响大，螺旋涡带时刻改变过水断面，柱状涡带挤压流体冲击壁面，造成尾水

管壁面附近高熵产率。

（4）对水泵水轮机各区域压力脉动研究发现，各过流部件在偏离最优工况后，压

力脉动都显著增大，水轮机制动工况时普遍最大。活动导叶、无叶区、转轮的压力脉动

受动静干涉影响，主频为9.00f，即一倍叶频，还存在18.00f、27.00f等频率，且这

nnn

几个区域的压力脉动远大于蜗壳和尾水管。蜗壳和尾水管内低频信号复杂，受尾水涡带

和旋转失速的影响，在0.33f、0.67f等频率处都有高幅脉动。

nn

关键词：水泵水轮机；“S”特性区；涡识别法；尾水涡带；熵产理论；压力脉动

Abstract

Withtheglobalwarming,inordertoachievethegoalofdoublecarbon,Chinahas

vigorouslydevelopedcleanenergy.Pumpedstorageisthemosteconomicallarge-scale

energystoragemodeatpresent.Thecorepump-turbineofthepumpedstoragepowerstation

iseasytoentertheS-shapedregionwhentheturbineoperateswithno-loadopening.The

internalflowofthepump-turbineisextremelydisorderedwhentheturbineoperatesinthis

operatingzone,resultinginlargepressurepulsation,causingunusualvibrationandnoiseof

theunit,Therefore,theflowcharacteristicsandpressurepulsationcharacteristicsinthe