1 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，越来越多的风能、潮汐能、太阳能及海洋能等新能源接入到了电力系统中，同时由于社会对能源需求的变化使得电力系统负荷的峰谷值差异日益增大。因此，电力系统的灵活性、稳定性以及调节能力都面临着新的挑战。水电机组具有启停迅速，工况转换较为容易等优点，发展具有一定容量的水电机组，能够改善电力系统的调节能力，使其在维护电力系统安全稳定运行的同时，也为用户提供高质量的电能[1]。特别是抽水蓄能机组具有双向运行的特点，即一方面可以作为水轮机运行，为电力系统提供高品质的电能，另一方面也可以在电力系统电能过剩时作为水泵运行，消耗剩余电能，实现削峰填谷。抽蓄机组在电力系统中担负着非常重要的责任，同时也发挥着越来越重要的作用[2]，其运行安全性及稳定性极端重要。
通常，在设计水泵水轮机时，以水泵工况设计，水轮机工况校核[3]。由于设计上的不足和运行工况的需求，水泵水轮机在运行过程中出现了许多不稳定的现象，比如在水泵工况小流量条件下运行时出现的驼峰特性及其迟滞现象以及水轮机工况中出现的“S”特性，这两种不稳定现象严重地危害了机组的安全性与稳定性[4]。
此外，当机组运行在水泵偏低流量工况时，易诱发压力脉动，从而引发机组振动，甚至损害机组过流部件，严重影响机组稳定性[5-7]。此条件下，还可能存在着旋转失速[8]、流动分离[9]等不良流动问题。因此，水泵工况的稳定性要求更加严格，其稳定性问题需要进行更深入地研究。
....................
1.2 国内外研究现状
当水泵水轮机在低流量工况运行时，在流量扬程曲线上出现了形状类似马鞍形区域，即驼峰区[10]。与此同时，某些低比转速水泵水轮机在水轮机工况运行时，在单位转速和单位流量曲线上出现一个类似于“S”形的区域，称为“S”特性[11]（如图 1-1）。驼峰特性和“S”特性是水泵水轮机两个特性，目前，有不少的学者致力于“S”特性[12,13]和驼峰特性区的研究。
由于某些低比转速水泵水轮机转轮设计特殊，其直径略大。当其运行在水轮机工况时，转轮入口处的离心力较大，入口处速度迅速减小，在开度线上呈明显向下趋势，与飞逸线相交形成的夹角较小，机组容易进入制动区运行。在机组在制动区运行后，转速略有所降低，开度线向 n11减小方向延伸。在反水泵工况，转速再次升高，使得开度线向高 n11值方向延伸，最终在特性曲线上呈现“S”形，即“S”特性区。机组运行在“S”特性区时，可能会出现一个单位转速对应三个不同单位流量的现象[l4]。因此，“S”特性区是一种不稳定的运行区，水泵水轮机在水轮机工况运转时应尽力避免在此区域内运行。
............................
2 数值计算方法及前处理设置
2.1 模型的建立
计算以某抽蓄电站模型水泵水轮机的几何和物理模型为对象，其三维全流道几何模型如图 2-1 所示，该模型有五个过流部件，分别为转轮、尾水管、蜗壳、活动导叶及固定导叶。利用三维建模软件 UG 建立该水泵水轮机的实体模型。当水泵水轮机作为水泵模式运行时，流体以尾水管为进口流入，以蜗壳为出口流出。该模型的几何参数分别为：转轮进口直径 D1=553mm，转轮出口直径 D2=251.98mm（水轮机工况），转轮叶片数 Zb=9，导叶高度 b0=37.76mm，其中，固定导叶数 Zc=20，活动导叶数 Z0=20。此外，该水泵水轮机的额定转速为 1150r/min，计算所用的活动导叶开度 α=14°。
......................
2.2 计算域网格划分及其无关性验证
2.2.1 网格划分
利用专业网格生成软件 ICEM 划分该模型的计算流体域网格，各个过流部件均使用六面体结构化网格，如图 2-2 所示。在划分网格时，对各过流部件靠近壁面的边界层网格进行局部加密，使其可以更有效地捕捉近壁面处边界层的流动状态。同时，以网格质量不小于 0.3，角度不小于 18°的标准来控制网格质量。
2.2.2 网格无关性
当活动导叶开度为 14°时，选择水泵工况最高效率工况点进行定常数值模拟，逐渐增加网格数量，并选用扬程和扭矩作为评判标准，从而对网格进行无关性验证，定常数值计算结果如图 2-3 所示。可以看出，当网格节点数大于 399 万时，再继续增加网格数，计算所得的扬程和扭矩值差异均不超过 1%。精密的网格可以更有效准确地模拟机组内部实际流动情况，但网格节点数越多，计算所需的计算机资源以及计算周期要求就越高，因此，本文最终选择网格节点数为 556 万的网格以完成后续计算。其中，尾水管，转轮，活动导叶，固定导叶和蜗壳的网格节点数分别为 71 万，207 万，100 万，106 万和 70.8 万，网格质量的详细情况见表 2-1。
..........................
3 内部流动特性分析................................... 15
3.1 尾水管流动特性分析 ..................................... 15
3.2 转轮流动特性分析 .................................... 17
4 压力脉动特性分析................................... 27
4.1 压力脉动监测点的分布 .............................. 27
4.2 0.57Qb工况压力脉动分析.................................29
5 小流量工况的旋转失速分析........................... 65
5.1 失速点预测 ....................... 65
5.2 旋转失速团的传播机理及规律 .......................... 67
5 小流量工况的旋转失速分析
5.1 失速点预测
图 5-1 反映了不同工况下导叶区内部流线流速系数分布情况。从图中可以看到，在1.0Qb工况，固定导叶和活动导叶各个流道流线分布均非常流畅，流道内部不存在不稳定流动结构，且流速系数云图分布也非常对称。当流量减小到 0.91Qb工况时，除特殊固定导叶出口处有漩涡存在之外，双列叶栅整体上流线和流速系数云图分布较好。在0.82Qb工况，可以看到在双列叶栅的圆周方向上分布着三组失速涡团，且每组失速涡团之间有着近120°的相位差。从流线图中可以看到，双列叶栅存在失速涡团的流道内，其流动状态非常恶劣，有显著的漩涡堵塞在流道中，导致这些流道过流能力降低。
随着流量进一步减小，在 0.78Qb工况时，双列叶栅沿周向也存在着三组两两之间相隔 120°的失速涡团。相比 0.82Qb工况的情况，本工况下每组失速涡团的范围有所增加，每组失速涡团的形成需要三个及以上相邻的导叶流道参与。此外，从流线图中可以看到，失速流道内部流动情况恶化，其流线更趋于紊乱。0.76Qb工况时，双列叶栅失速团的分布情况与上一工况的情况相同。0.67Qb工况下，随着流量继续减小，失速涡团范围进一步增加。值得注意的是，此工况下无明显的失速涡团组，除少数几个导叶流道流态较好之外，其余流道流动状态均较为恶劣，回流，漩涡及流动分离等不稳定流动结构将其堵塞。在0.57Qb工况，每个导叶流道均出现漩涡，回流及流动分离等不良流态，且其强度分布毫无规律。基于上述分析，本文中以 0.82Qb工况作为失速的起始点，值得注意的是，在 0.82Qb工况到 0.76Qb工况范围内，双列叶栅圆周方向上存在三组两两之间相位差为 120°的失速团。
........................
6 结论与展望
6.1 结论
本文对某抽水蓄能电站的模型水泵水轮机的水泵工况进行数值模拟，小流量工况点尤其是驼峰特性区内工况点下各过流部件的流动特性，诱发的压力脉动特性以及流道中出现的不稳定流动现象展开分析研究。主要结论如下：
（1）基于非定常数值计算结果，对机组在不同流量工况下运行时，其过流部件的压力分布，流线分布及流速分布特性进行分析。在小流量工况运行时各过流部件内部流态均较为紊乱，随着流量的增加，其流态逐渐好转。其中，当机组在驼峰区工况运行时，在转轮出口圆周方向存在着三组两两之间相隔 120°相位差的高速区，这是由转轮出口处切向速度分布特性引起。径向速度分布表明，在驼峰区内转轮出口处存在明显的回流现象。此外，驼峰区工况下串联级联通道的圆周方向也分布着三组失速流道，这三组流道也在圆周方向呈相隔 120°分布，且该失速流道均充斥着回流，漩涡或流动分离等不良流态。因此，该水泵水轮机驼峰特性的存在与转轮出口不均匀分布以及串联级联流道的失速现象有关。
（2）结合压力峰峰值、压力标准差以及 FFT 变换对机组压力脉动情况进行了分析。其中，尾水管出口处的压力脉动主要来源于转轮旋转及动静干涉作用，其主频为转频或叶片通过频率；转轮内压力脉动主频均为转频及其谐波频率，然而，随着流量的减小，转轮内压力脉动频谱变得更加复杂；在小流量工况下，双列叶栅处低频压力脉动占主导地位，这与其内部流道内流动状态有关。随着流量的减小，双列叶栅流道内流态逐渐趋于紊乱，漩涡、回流等不良流动结构的产生或消失均有可能会导致低频压力脉动的出现。随着流量的增加，在最优工况下由于双列叶栅内部流态得以改善，其内部不再存在低频压力脉动，由动静干涉作用导致的叶片通过频率的压力脉动占据主导地位。小流量工况时，蜗壳压力脉动的主频也为低频，其幅值随着流量的增加而逐渐减小，到最优工况时几乎完全消失。
参考文献（略）