水利水电施工泵站水力稳定性分析

　　摘要：本文主要是从水力振动理论计算、水力脉动模型实验、真机现场试验和水力稳定性非定常CFD计算等4方面对当前研究进展进行了分析。根据对现有研究成果的分析，指出了今后研究的方向。
　　关键词：泵站；水力特性；稳定性；进展
　　
　　我国泵机组的台数是世界之最，它的安全运行和由此产生的经济效益和社会效益影响很大。随着南水北调跨流域调水工程和全国大中型泵站改造的实施，对大型泵站工程的长时间可靠安全稳定运行的要求将越来越高。本文分析了大型泵站水力稳定性主要影响因素，从水力振动理论计算、水力脉动实验、真机现场试验和水力稳定性非定常CFD计算等4方面进行了综述分析，指出了今后研究的方向。
　　1大型泵站稳定性研究的重要性
　　基于下面4方面问题，当前大型泵站水力稳定性研究显得更为重要和迫切。
　　1．1近来大型泵站运行水力稳定性问题越来越多，问题越来越严重
　　东深供水工程l6座泵站检修时发现叶片断裂现象，某泵站自建站以来机组水力振动问题一直未根本解决，国内外泵站机组水力振动引起其他部件破坏的事例也时有发生。
　　1．2泵站机组逐步趋向高速化、大型化，要求有更良好运行的稳定性
　　以南水北调工程为代表的在建调水工程，预示着我国泵站工程建设的发展进入一个新的时代，其显著特点是机组尺寸不断增大、转速增加。随着轴流泵站参数的不断提高，影响机组安全稳定运行的未知因素也会相应增多，因此设计中预防和解决泵站振动的措施更加复杂和困难，有必要提前着手更深入的研究。
　　1．3水头变幅大的轴流泵站水力稳定性尚需深入研究
　　泵站在运行时水头变化对工况影响较大，在偏离设计工况较远时泵站运行易发生不稳定现象，因此，在泵站的水力设计、选型及结构设计时须对其运行稳定性进行深入研究。
　　1．4全国大型泵站改造中水力稳定性研究至关重要
　　国家正在实施大中型泵站改造，泵站增容改造主要有两种途径：①提高泵站水力效率；②加大泵站流量。因进出水流道中无法进行改造，增加流量后其流道内压力脉动值以及各机械部件的振动值的增大在所难免。为此对泵站改造而言，首要问题是确保其振动幅度的增大应在不影响正常安全运行的范围之内，即要有预测改造后机组运行稳定性的可靠方法，来保证泵站增容改造目标的顺利实现。
　　
　　2影响大型泵站稳定性的主要因素
　　众所周知，效率、气蚀和稳定性是泵站的三个重要指标。效率关系到能量转换程度，气蚀关系到泵的使用寿命，而稳定性关系到泵站是否能够安全运行。研究表明，泵站的振动是影响稳定性的主要因素，而振动主要有机械振动、电磁振动和水力振动三种类型，机械振动和电磁振动一般是可以消除或减轻的，由于引起水力振动的原因错综复杂，因此消除或减轻水力振动就困难的多。特别是泵站偏工况运行时，水力振动的影响尤为明显。正是由于水力振动而限制了泵站的运行工况，从而影响泵站效益的发挥，同时由于机组的长期振动，而导致机组部件的疲劳甚至遭到破坏，严重妨碍机组的安全运行和效益。
　　研究表明水力机组内部非定常流动是产生水力振动的主要内在原因。泵站运行时进水流道内涡带、出水流道出流不均匀、转轮内脱流、水泵叶轮与导叶动静干涉产生的压力脉动等水力现象是导致泵站水力不稳定的主要因素。刘超等l_2]通过对泵段和泵装置特性曲线进行分析，讨论了管路特性和泵装置的相似问题并提出了轴流泵站不稳定工作区对机组水力启动和正常运行时稳定性的影响。由于人们对泵站稳定性的认识比较晚，加之问题本身复杂，难点多，牵涉到多个学科，需要复杂的计算工具和先进的测试仪器，使得我们对稳定性的认识远没有对效率和气蚀现象的认识深刻，随着泵站单机容量的提高，机组尺寸的增加，相对刚度的减弱，泵站稳定性问题日益突出。
　　
　　3相关研究进展
　　目前水力稳定性研究手段主要有理论计算研究、模型实验研究、真机现场试验和非定常CFD分析，国内外学者开展了大量的研究工作，取得了一些可用于工程实践的研究成果。
　　3．1理论计算
　　叶轮与流体的相互作用不仅会激发叶片的强烈振动，严重时还会导致叶片产生疲劳断裂、动力失稳等影响机组安全运行的事件。基于有限元法的位移——压力格式及Galerkin法对转轮叶片——流体组成的流固耦合系统进行离散，建立了水力振动控制方程，在此基础上对转轮及单个叶片的耦合模态进行了计算，详细分析了转轮及叶片在水中的动力特性，发现叶片在流固耦合情况下的一些新的特性。采用流固耦合技术，求解流体与固体的耦合方程，对轴流式叶片进行了振动特性分析，分别计算了叶片在空气中和水中的固有频率；并比较了轴流式叶片在空气中与水中固有频率的变化，分析了叶片在水中的振型。由于泵站系统的复杂性，如何建立叶轮的振动与整个系统水力稳定性关系还有待深入。
　　3．2模型实验
　　模型实验研究是稳定性研究的重要技术手段，通过对水力效率、气蚀系数以及水压力脉动规律的研究来提高模型水力性能及稳定性。水力机组流道内涡带引起的压力脉动是影响稳定性的重要方面，Rheingans最早通过模型实验得出结论，频率为机组转速的0．25～O．33的压力脉动，导致了尾水管内和水电站的振动现象。Kubota在实验室观测到尾水管压力脉动的振幅与空化系数关系，指出尾水管压力脉动的振幅主要取决于运行流量与设计流量的比值，当该比值接近0．55时，出现最大振幅。大多数研究者认为，由于受涡核运动的影响，使的水力机组受到频率约为转频的0．25～O．33(甚至达0．5)的脉动压力作用，此外，脉动压力的振幅受运行水头和流量的制约。
　　3．3真机现场试验
　　由于引起水力振动规律尚不十分清楚，模型和真机的某些水压力脉动关系也不能完全模拟及换算。因此，真机的水力振动特性及减小水力脉动的措施，必须在相应真机上进行现场试验测试，弄清振动部位并分析其振动原因，解决真机振动问题。同时还可以通过大量的真机试验，归纳总结出水力振动的共性问题，找出模型与真机水力脉动的换算方法。ThierryJacob对140MW混流式水轮机大负荷区的压力脉动进行分析，着重进行转轮泄水锥、试验水头和尾水隧洞的影响研究。通过对土尔其卡拉乔伦2号机真机试验，对混流式水轮机水力不平衡引起的自激振动问题进行讨论，提出消除振动故障的对策。
　　3．4非定常CFD分析
　　随着计算机技术和流体动力学(CFD)的发展，对于水力稳定性研究重点从试验研究转为利用CFD技术对其进行数值模拟和分析。通过内部流场的非定常数值解析，研究流道内各种不稳定因素引起的水力振动和水压力脉动，如导叶和转轮叶片尾部的卡门涡列、静止叶栅和动叶之间的静动翼干涉和涡带等不稳定因素对于机组稳定性的影响l1“Wang应用数学上的涡运动理论，建立了一种简单而可行的涡模型来预估压力脉动的问题。Puprechtl1。应用三维涡动力学的计算方法计算了水电站尾水管在部分负荷下的压力脉动。HakanNilsson利用CFD技术对GAMM混流式水轮机转轮进行了空化等性能的研究，并与实验结果比较，利用CFD方法对混流式水力机组进行了三维非定常湍流计算，着重对水轮机的压力脉动进行了预测，从而获得了机组的稳定性情况。Felixc利用CFX-TASCflow软件的紊流模型对混流泵站整体进行了计算，采用稳态和非稳态的界面模型进行计算和比较分析。
　　
　　4研究展望
　　从目前研究进展来看，大型泵站水力稳定性研究相对于水电站来是说还显得很薄弱，还尚未形成一套完整的研究体系和方向。但基于目前国家重大工程建设的需要，笔者认为应通过理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法开展大型泵站的水力稳定性研究，并在以下方面展开深入研究：
　　①开展大型泵站(尤其是轴流式)水力稳定性与工况和气蚀的基本关系研究，在实验验证的基础上，对泵站内部影响水力稳定性的水力因素进行深入研究。
　　②开展大型轴流泵站水力不稳定区机理及控制研究。
　　③在水力机理研究的基础上，对全流道下的内部涡流形式和水力脉动模式进行研究，探索消除泵站水力脉动和振动的有效途径。
　　