清远长短叶片水泵水轮机水力研究及模型试验

杜荣幸，陈梁年，德宫健男，王　庆，榎 本保之（.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 3006；.株式会社东芝，日本 东京 05-800）

清远长短叶片水泵水轮机水力研究及模型试验

杜荣幸1，陈梁年1，德宫健男2，王庆1，榎 本保之2
（1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式会社东芝，日本 东京 105-8001）

摘要：根据东芝公司对长短叶片转轮水泵水轮机的长期研究结果，对其主要特点进行了简要总结，并介绍了清远电站长短叶片转轮水泵水轮机的水力开发、模型试验以及瑞士洛桑联邦理工学院中立试验台验收试验的主要情况。

关键词：水泵水轮机；长短叶片；CFD解析；模型试验；验收试验

1　前言

清远抽水蓄能电站位于广东省清远市的清新县太平镇境内，是一座日调节型纯抽水蓄能电站，安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组，单机容量（发电工况）320MW，总装机容量1280MW，是我国目前已建及在建抽水蓄能电站中单机容量最大的电站。于2009年进行国内公开招标，由东芝水电设备（杭州）有限公司中标并签订合同。在机组选型中采用了东芝新型长短叶片转轮水泵水轮机。本文根据东芝公司对水泵水轮机长短叶片转轮的长期研究结果对其主要特点进行了简要总结，并针对清远电站水力开发、模型试验以及瑞士洛桑联邦理工学院中立试验台验收试验的主要情况进行介绍。

2　长短叶片转轮特点及应用

长短叶片转轮是一种沿圆周方向交替布置长叶片和短叶片的新型转轮，因其在运行中比常规叶片转轮具有更高的水力稳定性而受到瞩目。东芝公司在世界范围内率先开始了对长短叶片水泵水轮机的研究，2003年，世界上第一台长短叶片水泵水轮机——由东芝公司研发生产的安云电站（更换转轮改造）长短叶片转轮成功投产发电，标志着长短叶片水泵水轮机应用时代的到来。此后，由东芝公司研发生产的神流川电站也采用了长短叶片转轮，首台机于2005年12月投入商业运行。

随着安云、神流川等电站的投运，长短叶片转轮水泵水轮机的优越性已被逐步证实。长短叶片转轮具有的多个叶片可以显著降低叶片负荷、抑制部分负荷运行时的转轮内部发生的流体的偏向以及二次流的发生，在压力脉动、振动等方面长短叶片转轮明显优于常规叶片转轮，具有如下特点：

（1）性能变化平缓，适应较大的水头变幅；

（2）压力脉动降低；

（3）空化性能提高；

（4）效率、尤其是部分负荷效率提高；

（5）转轮刚性好，强度和可靠性得到提高。

3　清远电站水泵水轮机主要参数

型式立轴、单级、混流可逆式水泵水轮机

最大毛水头/扬程 504.5m

最小毛水头/扬程 449.3m

额定净水头470.0m

水轮机额定功率326.5MW

水泵最大输入功率 331.0MW

额定转速428.6 r/min

飞逸转速630（定常）/690（瞬态）r/min转轮公称直径2.242m

最小吸出高度-66m

4　基于CFD的水力设计及优化

模型转轮开发基于东芝公司类似比转速基础转轮及丰富的水力设计经验，流道中的每个部件均通过计算流体力学（CFD解析）进行优化。

（1）蜗壳

蜗壳截面尺寸优化基于传统的一维理论，目的是为了使从流道进口到流道末端的平均流速保持圆周恒定，固定导叶进口的流动角度尽可能的保持一致。此外，安装在座环上、下环板外侧的导流圆板引导着水流平缓地进入固定导叶，蜗壳截面数量与固定导叶个数相等。

（2）固定导叶和活动导叶

考虑到与转轮叶片总数10的组合中可能产生的转轮振动模式的情况，活动导叶的数量定为16个，固定导叶的个数也定为16。

在从强度方面确定厚度或截面积的同时，导叶的几何形状通过CFD进行优化以使水力损失减小。选择固定导叶和活动导叶之间最合适的圆周相对位置，使在水力最大开度时的水力损失达到最小。在最后的设计中，还将对卡门涡脱流的情况进行检查。水轮机额定工况点及水泵最小扬程附件的解析结果见图1。

图1　固定导叶和活动导叶解析结果

（3）转轮

为了使长短叶片转轮(5长/5短)适合于其自身出色的水力性能和振动特性，针对长叶片和短叶片的翼型分别进行CFD优化设计。除了水泵工况短叶片的进水边外，水泵工况的进水边和水轮机工况的出水边制作成抑制空化发生的钝头形状。水泵的扬程-流量特性曲线的倾斜程度，可以满足最高扬程下的最大扬水量和最小扬程下的最大输入功率的要求，大倾斜度的曲线将有助于水泵空化特性的改善。对相邻长叶片的出水边开口进行优化，以达到在水轮机工况时转轮水流出口径向方向的流速均匀分布，使水力损失和尾水管压力脉动减少。

（4）尾水管

尾水管形状优化的目的是为了使水轮机水流进口和出口之间水力损失达到最小。尾水锥管必须足够长，用以消除偏流现象和水泵工况中转轮进口的紊流现象。尾水管肘管设计成在调相运行时可减少向下池泄漏压缩空气量的形状。

水泵水轮机的CFD优化不仅只针对设计工况，对于部分负荷及非设计工况也作了综合考虑，因此将有助于水泵水轮机整体性能的提升。非设计工况下的优化主要课题包含：

①水泵工况下回流区向高扬程侧移动；

②水轮机部分负荷工况下，转轮进口非定常空化的抑制以及二次流的抑制；

③非设计工况下，各部位压力脉动的控制等。

东芝公司的最新CFD解析技术可以将静止部件和旋转部件整体作为计算模型进行处理，由此可以研究静止部件与旋转部件的设计匹配问题，从而使得解析结果更加准确。

5　初步模型试验

初步模型试验在位于日本横滨的东芝能源工业系统研发中心的水力研究所2号试验台上进行，试验台主要参数及试验条件如下：

最大试验水头/扬程200m

最大流量0.8m3/s

测功电机功率460 kW

最大转速3 000min-1

模型转轮直径DM300mm

模型至原型比尺7.4733

相似性从蜗壳进口至尾水管出口的全流道相似

试验水头60m

模型试验按照IEC 60193（1999）（国际电工技术委员会：《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》）规程进行，试验内容包含：水泵效率试验、水轮机出力试验、水泵功率试验、水轮机空化试验、水泵空化试验、飞逸转速试验、导叶水力矩试验、压力脉动试验、四象限特性试验、顶盖压力试验、轴向水推力和径向水推力试验、蜗壳和尾水管差压试验、水泵工况下零流量扬程试验、模型机尺寸检查。

根据初步模型试验结果，全部性能满足合同要求。因为主要的性能试验项目均有相应的验收试验，为节省篇幅，本文将不再缀述，而重点对在第三方试验台进行的模型验收试验进行介绍。

6　模型验收试验

6.1概况

模型验收试验于2011年5月30日至7月1日，在作为第三方中立试验台的瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）水力机械实验室PF-3试验台进行，南方电网调峰调频发电公司、广东省水利电力勘测设计研究院、中国水利水电科学研究院北京中水科工程总公司、株式会社东芝、东芝水电设备（杭州）有限公司等单位的代表和特邀专家参与、见证了验收试验。

6.2试验台主要参数及试验条件

瑞士洛桑联邦理工学院水力试验室是国际上著名的中立水力试验室，F3试验台的主要参数如下：

最大试验水头/扬程100m

最大流量1.4m3/s

测功电机功率300 kW

最大转速2 500min-1

模型水泵水轮机装配照片见图2。

图2　模型水泵水轮机装配

6.3验收试验项目的主要试验结果

验收试验按照合同要求以及IEC 60193(1999)（国际电工技术委员会：《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》）规程进行，模型验收试验项目包含:测量仪器的率定、水轮机效率试验、水轮机输出功率试验、水轮机空化试验、水轮机压力脉动试验、水轮机飞逸转速试验、蜗壳压差、尾水管压差试验、水泵效率试验、水泵输入功率和流量试验、水泵二次回流试验、水泵空化试验、水泵压力脉动试验、水泵零流量试验、四象限特性试验、水推力试验、导叶水力矩试验、顶盖压力试验、水泵水轮机模型尺寸检查等。以下将对主要性能试验项目的模型验收试验结果进行介绍。

（1）效率试验

水轮机工况包括：加权平均效率、最高效率、运行范围内的最高效率、额定工况点效率及12个导叶开度的完整效率试验。水泵工况包括：加权平均效率、最高效率、最低扬程工况点效率及22个导叶开度的完整效率试验。模型到原型的效率修正采用IEC 60193(1999)规定的两步修正法。验收试验结果与初步试验结果基本一致，全部满足合同保证值。

（2）水轮机输出功率试验

验收试验验证了在470m水头下，水轮机额定功率满足保证值326.5MW；在导叶机械最大开度下，水轮机的最大功率可达到336.3MW。

（3）水泵输入功率和流量试验

水泵最低扬程(Hst=449.3m)在频率50.5Hz时，正常换算情况下的原型水泵最大输入功率为325.5MW，满足合同保证值331MW的要求。同样在50.5Hz条件下,不考虑模型到原型的效率换算修正值时，原型水泵的最大输入功率为332MW。水泵最低扬程（Hst=449.3m）在频率50 Hz时，在正常换算的情况和不考虑效率换算修正值时，均能满足原型水泵的最大输入功率不大于331MW的要求。水泵最高扬程（Hst=504.5m）在频率50Hz时的最小流量为53.5 m3/s，满足合同保证值51.76m3/s的要求。

（4）压力脉动试验

水轮机工况包括：对指定净水头和电站空化系数下的尾水管、转轮与导叶间、转轮与顶盖间的压力脉动进行了测量，并对尾水管的涡带情况进行了描绘和拍照。试验结果表明，在最大水头和额定水头的正常运行范围内，压力脉动值均小于保证值。额定水头时、电站装置空化系数下额定功率及50%功率时的涡带情况见图3。

图3　水轮机工况额定水头、装置空化系数时的涡带情况

水泵工况包括：对指定净水头和电站空化系数下的尾水管、转轮与导叶间、转轮与顶盖间的压力脉动进行了测量，试验结果表明，在最高扬程和最低扬程的正常运行范围内，压力脉动值均小于合同保证值。在零流量运行工况，对2个导叶开度下的压力脉动进行了测量，压力脉动值小于合同保证值。

（5）空化试验

水轮机工况包括：在指定净水头（最大水头、额定水头、最小水头）下进行水轮机空化试验。结果表明：在全部正常运行范围内，电站空化系数条件下不会出现空化现象。电站空化系数与初生空化系数之比为1.47～2.65，水轮机工况的空化性能有较大的裕度。

水泵工况包括：在指定净水头（最高扬程（49Hz、49.8 Hz、50 Hz）、最小扬程（50 Hz、50.5 Hz、51 Hz）、最高扬程和最低扬程之间的2个扬程）下进行了水泵空化试验。结果表明，在全部正常运行范围内，电站空化系数条件下无空化运行。电站空化系数与初生空化系数之比为1.36～2.25，水泵工况的空化性能同样有非常大的裕度。

（6）水泵二次回流试验

最高扬程（49.8 Hz)与水泵二次回流区的起始点的扬程之间的安全裕量为6.2%，满足合同保证值的要求。

（7）四象限特性试验

在水轮机正常运行范围、水轮机制动工况、水泵正常运行范围、反向水泵工况和水泵制动工况下进行了模型四象限特性试验。模型试验分别在7个导叶开度下进行。水轮机制动工况再增加4个导叶开度条件的试验。试验结果表明：水轮机正常运行水头范围和频率变化范围内,最低水头起动时远离不稳定的S特性区（见图4），不会发生水轮机低水头无法正常起动的现象。

图4　四象限特性曲线中的S区域

7　结束语

（1）瑞士洛桑联邦理工学院中立试验台的验收试验结果证实了长短叶片水泵水轮机不仅具备高效率、低脉动、空化性能优良等特点，而且稳定运行区域宽广、性能变化平缓，能适应较大的水头变幅，并可确保水泵工况高扬程侧有足够二次回流余量，水轮机低水头侧远离不稳定S区域，可为电站今后的长期安全稳定运行打下关键性基础。

（2）清远抽水蓄能电站水泵水轮机顺利通过了有关各方参与的模型验收试验，为国内最大容量的水泵水轮机设计制造奠定了基础，这也是长短叶片转轮水泵水轮机将在我国大型抽水蓄能电站中的首次应用，将对我国的抽水蓄能事业产生深远的影响。

参考文献：

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[2]久保田一正，渡边繁则，进藤祯浩，等.超高水头大容量水泵水轮机应用长短叶片转轮的优势[C].第23届国际水力工程研究协会专题会议.日本横滨，2006.10.

[3]手塚榎光太郎， 本保之，久保田一正，等.长短叶片新型转轮在抽水蓄能电站中开发和应用 [C].第八届亚洲国际流体机械会议.中国宜昌，2005.10.

中图分类号：TV136.1

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）02-0012-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.004

收稿日期：2014-10-15

作者简介：杜荣幸（1977-），男，高级工程师，从事水轮机设计工作。