水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)及水力特性分析

朱文辰 顧志偉 周哲軒

摘 要：在我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過程中，電力系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步得到完善。為了使抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用性能得到改善，許多部門開始采用傳統(tǒng)水泵與水輪機(jī)串聯(lián)的蓄能機(jī)組結(jié)合方式，該技術(shù)具有成本低、重量低等特點(diǎn)。本文對水泵水輪機(jī)具體的應(yīng)用原理進(jìn)行了介紹，深入分析了水泵水輪機(jī)的水力特性與內(nèi)部流動(dòng)特性。

關(guān)鍵詞：水力特性；內(nèi)部流動(dòng)；水泵水輪機(jī)

電站的正常運(yùn)行離不開水泵水輪機(jī)的支持。然而，我國水泵水輪機(jī)無論在研究還是在應(yīng)用方面均起步較晚，相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)內(nèi)容主要來自國外現(xiàn)有技術(shù)。該技術(shù)雖然能夠應(yīng)對水泵水輪機(jī)在應(yīng)用初期階段的不足，但是在水泵水輪機(jī)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)方面尚未達(dá)到完全的國有化水平。

一、水泵水輪機(jī)概述

水泵水輪機(jī)屬于動(dòng)力設(shè)備的一種，其作用是抽水蓄能，在具體應(yīng)用過程中水泵水輪機(jī)主要會呈現(xiàn)出兩種運(yùn)行狀態(tài)，將在發(fā)揮泵的功能時(shí)輪呈正向旋轉(zhuǎn)，在發(fā)揮水輪機(jī)功能時(shí)轉(zhuǎn)輪呈反向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)當(dāng)前水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)思路可以發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部關(guān)鍵性部件與結(jié)構(gòu)往往具有比較大的相似性，增加水泵水輪機(jī)單機(jī)容量與提升轉(zhuǎn)速比是未來一段時(shí)間內(nèi)水泵水輪機(jī)設(shè)備主要的發(fā)展方向。根據(jù)水流途徑對水泵水輪機(jī)的類型進(jìn)行劃分，其具體類型主要包含貫流式、斜流式以及混流式。其中設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最為簡單的水泵水輪機(jī)為混流式，能夠在與多種水頭共同搭配的情況下進(jìn)行運(yùn)作，該類型的水泵水輪機(jī)的應(yīng)用范圍也最為廣泛。斜流式水泵水輪機(jī)生產(chǎn)成本偏高、設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，但是工作效率比較高，由于機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，其應(yīng)用場景也比較局限。貫流式水泵水輪機(jī)是當(dāng)前我國最為先進(jìn)的一種水泵水輪機(jī)，其功能強(qiáng)大并且單機(jī)容量高，主要應(yīng)用于潮汐電站的抽水蓄能中。

二、水泵水輪機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)

（一）水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)

水泵水輪機(jī)的導(dǎo)水與引水設(shè)計(jì)即水力設(shè)計(jì)，這部分的設(shè)計(jì)工作直接影響著水泵水輪機(jī)的運(yùn)行性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，做好這方面的設(shè)計(jì)工作也是保證水泵水輪機(jī)綜合性能的重要前提。設(shè)備引水進(jìn)程主要依賴蝸殼，導(dǎo)水機(jī)在蝸殼的作用下能夠獲取充足且均勻的水流量。為了使蝸殼工作性能得到提升，對于蝸殼的設(shè)計(jì)逐漸以降低斷面為目標(biāo)，在蝸殼運(yùn)行過程中能夠產(chǎn)生一定的環(huán)量使導(dǎo)水機(jī)的運(yùn)行壓力得到有效緩解。在對蝸殼進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，軸向速度與圓周速率夾角、截面環(huán)量兩項(xiàng)是最為重要的參數(shù)，在設(shè)計(jì)過程中，所需要的全部數(shù)據(jù)得到全面采集后，需要根據(jù)現(xiàn)有既定公式進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算。水流的方向由導(dǎo)葉來負(fù)責(zé)調(diào)整，復(fù)雜的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)是推動(dòng)水泵水輪機(jī)內(nèi)部水流進(jìn)出的重要結(jié)構(gòu)，因此對于頭部導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)和尾部導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)并未設(shè)置明確的界限。依照物理學(xué)理論對于速度的解釋，在導(dǎo)葉入口有水流通過的情況下，水流的速度方向會發(fā)生變化，這種變化一方面體現(xiàn)在徑向速度上，另一方面體內(nèi)在切向速度上。在得到相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)現(xiàn)有的公式可以計(jì)算出需要納入設(shè)計(jì)參考范圍的全部數(shù)據(jù)。借助計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模處理，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的誤差控制在最小范圍內(nèi)，使機(jī)械性能得到完善。

（二）水泵水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)

投入水泵水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)主要來自于蓄電廠當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員在收集相關(guān)數(shù)據(jù)的過程中需要對水流的流動(dòng)情況有一個(gè)全面的了解。依照當(dāng)前工況對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定后，還需要對轉(zhuǎn)輪葉片的下環(huán)與上冠輪廓線進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對流道過流斷面面積進(jìn)行設(shè)計(jì)，再根據(jù)等面積法的相關(guān)理論對軸面流線進(jìn)行計(jì)算，在擬定進(jìn)口流道分布與活動(dòng)導(dǎo)葉開度后對環(huán)量與出口流動(dòng)角進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片模擬結(jié)果對水流速度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在確定結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)之后，依照葉片歐拉能力分布為標(biāo)準(zhǔn)來評判數(shù)據(jù)的合理性，若與實(shí)際相符，則可以對葉片的厚度分布進(jìn)行確定，若出現(xiàn)與設(shè)計(jì)要求不符合的情況，需要依照之前的步驟重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，一定要在與設(shè)計(jì)要求相符的情況下才可以結(jié)束計(jì)算。在對葉片厚度進(jìn)度確定之后，再根據(jù)該參數(shù)對冀型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，冀型設(shè)計(jì)中葉片骨線角分布與截面子午面投影分布是兩個(gè)十分重要的參數(shù)，這兩項(xiàng)參數(shù)主要應(yīng)用于截面冀型物理量分布的計(jì)算，在參數(shù)與設(shè)計(jì)要求相符合的情況下，以先前所制定的設(shè)計(jì)方案為模板，對冀型坐標(biāo)進(jìn)行求解。

三、水泵水輪機(jī)水力特性與內(nèi)部流動(dòng)特性

水泵水輪機(jī)水力特性與內(nèi)部流動(dòng)特性涉及到多個(gè)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，其中葉片、導(dǎo)葉以及蝸殼需要在CFD軟件的支持下才能夠模擬相關(guān)數(shù)值，并且需要在充分解析網(wǎng)格質(zhì)量的前提下才能夠生成網(wǎng)格。設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格對待所選擇的收斂模型、網(wǎng)格密度以及網(wǎng)格尖角。在通過離散公式對能量、流量以及過流面積進(jìn)行計(jì)算時(shí)，工況三維計(jì)算、量綱的模擬以及單位都是十分重要的數(shù)據(jù)。對過流面積進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要事先采集過流斷面上的流量積分與面積積分，對能量分布進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要事先對坐標(biāo)系進(jìn)行確定，對各個(gè)方向的速度分量進(jìn)行分步采集，以無量綱化的形式對能量與速度的建模結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這樣能夠使設(shè)計(jì)結(jié)果不受度量單位的影響。

四、結(jié)語

電路系統(tǒng)是居民生活、工業(yè)生產(chǎn)正常運(yùn)行的基本保證。尤其是在我國城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷發(fā)展、用電需求不斷增加的大背景下，抽水蓄電更加經(jīng)濟(jì)也更加環(huán)保。因此，電力企業(yè)需要對水泵水輪機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行深入的研究與分析，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的更新，提高發(fā)電效率。

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