提升水泵工况的内部流场和空化性能优化

3.9.2.1 模型优化技术难点

（1）水泵水轮机是采用同一个转轮和同一套通流部件，通过双向旋转完成水轮机发电和水泵抽水两种工况，因而其水力开发难度要远大于常规水轮机。如何使水轮机与水泵工况参数匹配合理，在两种工况下都有较高的能量指标是第一个难点。

（2）水泵水轮机双向旋转的特性决定了水轮机工况总是处于偏离最优区的高单位转速区运行，导致压力脉动尤其是无叶区的压力脉动较大，因此，如何减小无叶区压力脉动也是一个难点。

（3）水泵水轮机这类高水头低比转速机组易出现“S”特性不稳定问题，机组在空载工况进入“S”形不稳定区将无法完成并网，如何将“S”形不稳定区推出水轮机工况运行范围并留有较大裕量是当时（呼蓄电站开发时期）的一个国际性难题。

（4）水泵水轮机的水泵工况空化性能比水轮机工况差：在高扬程、小流量区域，叶片的背面容易产生空化；在低扬程、大流量区域，叶片的正面容易产生空化。提高水泵工况的空化性能是水泵工况的主要难点之一。

（5）水泵工况的另一个难点就是提高驼峰区裕量，使水泵在高扬程运行时不出现稳定性问题。

综上所述，水泵水轮机水力开发的难点主要与水泵水轮机的稳定性能相关，而类似呼蓄电站这种最高水头超过590m的高水头大容量的抽水蓄能机组，保证稳定性是首位的。所以提高水泵水轮机的水力稳定性是水力开发的重中之重，也是水力开发不断优化的目标。

3.9.2.2 模型优化设计

ALSTOM根据三峡集团优化水力设计要求，针对呼蓄电站第一次水泵水轮机水力模型不足进行了多次优化设计，尤其是对“S”特性进行了深入研究，基本摸清了“S”特性形成机理，提出了改进方法，最终消除了运行范围内的“S”特性。

首先通过三维非稳定流数字计算模拟了“S”形不稳定区内部流动，研究了“S”特性形成机理，并采用数字取值对“S”特性曲线进行了模拟。最终通过优化叶片型线、叶片数、导叶型线等方法，改善了内部流动，基本消除了运行范围内的“S”特性。优化前后内部流态比较如图3.9.1所示。(www.xing528.com)

图3.9.1　优化前后内部流场示意图

在优化“S”特性的同时ASTOM公司进一步优化了水泵工况的空化性能，解决了小流量、高扬程区初生空化问题，数值计算结果如图3.9.2所示。

图3.9.1　优化前后内部流场示意图

在优化“S”特性的同时ASTOM公司进一步优化了水泵工况的空化性能，解决了小流量、高扬程区初生空化问题，数值计算结果如图3.9.2所示。

图3.9.2　优化前后数值计算结果

以CFD为基础，ALSTOM先后制造了多个模型，进行了模型试验，最终选定的水力模型完全达到了技术要求。

图3.9.2　优化前后数值计算结果

以CFD为基础，ALSTOM先后制造了多个模型，进行了模型试验，最终选定的水力模型完全达到了技术要求。