水泵水轮机活动导叶水力矩的相关研究

水泵水轮机活动导叶水力矩的相关研究

郭旭巍

天津市水利勘测设计院 , 天津 300204

[摘要]：随着经济和科技水平的快速发展，水泵水轮机中接力器通过传动机构转动活动导叶，活动导叶水力矩作为水泵水轮机原型设计中的重要参数，直接影响相关导水机构和接力器的设计。活动导叶水力矩一般通过模型水泵水轮机的试验结果，按照相似定律换算得出。由于试验模型的制造加工流程复杂，测量仪器安装布置易产生误差等因素，活动导叶水力矩测试是一个繁琐的试验项目，测试精度也有待提高。

[关键词]：活动导叶；水力矩；测试；CFD；接力器

引言

在进行水泵水轮机最高水头的水轮机工况导叶水力矩试验的基础上，使用计算流体动力学方法分析与试验工况相对应的流场特性．水泵水轮机是抽水蓄能机组的核心部件，不仅能作为原动机运行发电，而且能作为工作机把水抽至上水库蓄能．水泵水轮机独特的工作方式使得机组运行工况较多并且转换频繁，在过渡过程运行时内部流动非常紊乱，因此导叶的调节对机组稳定运行影响很大．但是目前对水泵水轮机活动导叶力矩特性的研究还不完善。

1总体结构布置设计

贯流式水轮机模型水力矩测试装置，包括叶片与转轮体。叶片本体与转轮体之间留有足够间隙，测试叶片的叶片轴通过滚珠轴承安装于转轮体上，并延伸至转轮体内部，叶片轴上设置有扭矩传感器，该扭矩传感器联接无线传输数据端。叶片承受的水力矩通过叶片轴上的扭矩传感器来进行测量。叶片轴上的传感器所在的无线数据发送模块利用充电电池供电，该电池由无线数据发送模块的微处理器控制，可以使得电路的电流消耗最小，节约用电量。

2导叶水力矩的CFD分析

2.1活动导叶区域流场分析

通过CFD分析可以得到活动导叶区域流场流态，再对活动导叶水力矩和压力检测值分析，水轮机工况下的最优开度为17.5°，选取1°、7°、13.5°和17.5°下的流场进行分析。随着活动导叶开度的增加，流道内流态逐渐平稳，漩涡流动和湍流流动逐渐减小。根据伯努利方程可以看出，活动导叶正背面的流态和流速会影响压力分布，最终导致不同开度下活动导叶水力矩的变化。

2.2水力矩结果的比较分析

计算结果为水轮机工况下，原型水头755.9m，对应水轮机模型单位转速为36.63r/min，根据双列叶栅与转轮联合计算CFD分析模型的数值计算结果，可以确定活动导叶水力矩。根据该机组活动导叶水力矩测试结果和计算结果数据，绘制出原型机最大水头755.9m下的导叶开度和流量关系曲线，水力矩测试结果和CFD计算结果的比较曲线。计算结果为水泵工况下，原型水头702.21m，对应水泵水轮机模型压力系数为4.950，根据双列叶栅与转轮联合计算CFD分析模型的数值计算结果，可以确定活动导叶水力矩。该机组水轮机工况和水泵工况下，活动导叶水力矩的测试结果和计算结果有较好的对应关系，水力矩的CFD计算结果接近测试结果的平均值。这可能是受到蜗壳结构的影响，或者是流态的不稳定，测试结果离散性的影响。计算结果与测试结果差异不大，在正常分布范围之内。

2.3内流场计算结果分析

数值模拟时，25mm的导叶开度为水轮机运行的最优开度，在最优开度附近内流稳定，水力效率较高，故本文选择计算工况中的13mm和49mm两种极限开度进行分析，揭示内流场与活动导叶水力矩因数的关联。以导叶区和转轮区域的中间流面（0.5倍导叶高度和叶片叶高形成的回转面）为研究位置。T表示转轮旋转周期。从流线图中可以看出，在每个时刻的转轮流道内均存在漩涡，这些在无叶区由于旋转的转轮和静止的导叶之间的动静干涉形成的漩涡随着转轮旋转进入转轮流道，使得转轮内的流动变得复杂紊乱，从湍动能的分布情况也验证了转轮进口附近的湍流流动最强。在一个周期内，转轮流道内的流动并非完全轴对称，同时由于小开度和无叶区流动速度的变化，在转轮进口处不断形成强湍流流动，并随着流动向转轮内移动，形成转轮内的局部回流和漩涡。从速度分布可知无叶区的流动速度比导叶区和转轮内都大，这是因为导叶开度较小而在导叶尾缘附近形成射流，此射流受转轮叶片干涉之后形成较强的湍流，在活动导叶后缘处，由于开度较小，导叶后缘背面压力较大不易产生流动分离，但是正面靠近后缘处出现了脱流现象。

2.4传感器数据采集与无线数据发送部分

此部分主要完成传感器信号的放大及滤波采集任务，并通过微处理器实现数据的编码，经过无线部分发送出去。测试仪采用电池供电，相关仪表采用多种节电方式。平时，传感器测试电路等部分电源关闭，电路处于休眠状态，电流消耗最小。当无线模块接收到唤醒信号时，仅微处理和无线部分供电；当接收到测试信号时，电源才全部打开，系统测试开始，无线数据接收部分经过解码和检验传输的数据，最终得到采集数据值，并将这些数值通过D/A转换和滤波放大电路变为模拟电压信号，计算机中的采集板将这些电压信号转换为数字信号作进一步处理。此部分包括：微处理器、无线数据传输、D/A转换及模拟输出、电源管理及其他电路模块组成。

3活动导叶水力矩对接力器设计的影响

目前国内水泵水轮机导水机构接力器一般采用直缸接力器，接力器通过传动机构转动活动导叶，其压力油是从主配压阀经管路流进接力器的，接力器的油压一般为4.0MPa和6.3MPa两种。接力器初选后，根据传动机构布置和活动导叶力的特性，详细计算各种运行工况下开启或关闭导叶时所需的接力器油压，校核接力器选型的正确性。活动导叶开启或关闭情况下主要受到活动导叶水力矩和摩擦力矩的共同作用。摩擦力矩可以根据活动导叶各个轴颈位置的支反力求得，再结合上文中所示的活动导叶水力矩，可以较为准确的求得活动导叶力的特性。

结语

活动导叶的开度和形状会影响绕流水流的流速、流态和压力分布，从而决定活动导叶的水力矩特性。活动导叶的绕流为三维流动问题，情况复杂，随着 CFD 技术，即计算流体动力学的发展，可以通过有限元仿真技术对复杂的流体动力学问题进行研究。1）CFD仿真计算的活动导叶水力矩结果与模型试验测试结果比较吻合，计算结果与测试结果的平均值接近，仿真计算可以作为一种获取导叶水力矩的可靠方法，计算结果在水泵水轮机原型安全裕度下适当修正。2）受活动导叶开度，机组水头和流量的影响，活动导叶正背面压力分布会有所差异，造成不同开度，不同水头，不同流量下活动导叶水力矩的差异。3）在水泵水轮机的水轮机工况小开度（13mm）下，由于动静干涉在无叶区不断形成强湍流流动，并且随着转轮旋转不稳定流动进入转轮叶道形成涡和回流；在最大开度下，无叶区和转轮内的流动稳定，但是在活动导叶处的绕流容易出现不同程度的边界层分离；4）通过监测导叶水力矩因数和被测导叶附近静压得知，导叶水力矩因数受导叶附近的静压影响明显，力矩因数值随着时间的变化规律与导叶附近的压力值随时间的周期变化规律相似，力矩因数值会在小幅度范围呈周期性规律性地波动。

参考文献：

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[2]纪兴英，刘胜柱.混流式水轮机导叶水力矩的计算[J].大电机技术，2008（3）：38-41.

[3]梁维燕，邴凤山，饶芳权.中国电气工程大典-水力发电工程[M].北京：中国电力出版社，2019.

[4]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京：机械工业出版社，2019.