水泵水轮机“S”特性与改善研究
水力机械系统性能分析与优化研究
水力机械系统性能分析与优化研究一、引言随着社会的不断发展，能源问题日益受到关注。
水力能源作为一种可再生、清洁的能源形式，其开发利用具有重要意义。
而水力机械系统作为水力能源的转换装置，其性能直接关系到水能的有效利用，因此对于水力机械系统性能的分析与优化研究具有重要意义。
二、水力机械系统的基本原理水力机械系统是指由水轮机、调速器、发电机组成的能量转换装置。
其基本工作原理是利用水能驱动水轮机转动，然后通过机械装置将旋转的机械能转换为电能输出。
在这个过程中，各个部件之间的协调与配合至关重要。
三、水力机械系统性能分析方法1. 环境条件分析水力机械系统安装在水电站等环境条件相对恶劣的场所，因此在性能分析前需要对环境进行详细的分析。
主要包括温度、湿度、海拔等环境因素的影响。
2. 水轮机特性分析水轮机作为水力机械系统的核心部件，其性能直接关系到整个系统的效率。
通过对水轮机的流量-扬程特性曲线进行分析，可以评估水轮机的效率和稳定性。
3. 调速器特性分析调速器作为控制水轮机转速的装置，在水力机械系统中起到至关重要的作用。
调速器的性能直接影响到水轮机的负载能力和输出效率。
因此，在性能分析中需要对调速器的响应速度、控制精度等指标进行评估。
4. 发电机特性分析发电机作为水力机械系统的输出部件，其性能对系统的整体效率产生重要影响。
通过对发电机的负载特性进行分析，可以评估发电机的转换效率和输出能力。
四、水力机械系统性能优化方法1. 水轮机叶片优化设计通过优化水轮机叶片的形状和结构，可以改善水轮机的流动性能，提高其效率。
常用的优化方法包括叶片厚度分布、进口导叶角度、叶片数等参数的调整。
2. 调速器优化设计调速器的优化设计主要包括控制系统的改进和参数的合理配置。
通过提高调速器的响应速度和控制精度，可以提高水力机械系统的稳定性和输出效率。
3. 发电机优化设计发电机的优化设计主要包括磁路设计和电气参数匹配。
通过减少磁路磁阻、提高电气效率等措施，可以提高发电机的转换效率和输出能力。
抽水蓄能机组“S”特性对稳定性影响研究
抽水蓄能机组“S”特性对稳定性影响研究摘要：抽水蓄能技术的核心问题在于可逆式机组的“S”特性，“S”特性对机组正常工况运行以及过渡工况运行的稳定性起着决定性的作用。
本文从抽水蓄能机组转轮“S”特性机理出发，揭示“S”特性对机组开机启动方式、正常运行稳定性以及甩负荷工况压力脉动变化规律的影响，对蓄能机组的选型设计有借鉴意义。
关键词：抽水蓄能机组；“S”特性；水力阻抗；压力脉动1 引言抽水蓄能机组的“S”特性是影响机组运行稳定性的关键因素，该区域内机组在同一单位转速下对应三种不同单位流量，这种正负流量的相互转换会导致正反向转矩的产生，极易造成机组构件的破坏[4]。
在转轮“S”特性区水流流态十分紊乱，紊流引发的压力脉动是产生机组振动的重要原因之一，特别对于结构强度较低的大型机组，严重时可导致机组构件疲劳性破坏以及尾水流道内汽蚀，威胁机组的安全稳定运行。
因此，研究转轮“S”区压力脉动特性以及机组振动稳定性，不仅有助于机组安全稳定运行，还可对可逆式机组选型设计提供建议。
针对可逆式机组的压力脉动问题，不少学者做过研究。
钱忠东等人[1]分别采用不同模型对模型水轮机全流道内的三维非定常湍流进行了数值模拟，通过分析导水机构及尾水管压力脉动的特征，得到模拟压力脉动的较优模型。
刘树红等人[2]利用SST k-ω湍流模型开展了水泵水轮机在水轮机工况下不同位置的压力脉动的研究。
研究结果表明压力脉动的幅值和频率在不同位置均不同，且有明确的传递特性。
孙跃昆等人[3]根据真机实测压力脉动结果对机组开机过程无叶区压力脉动进行深入分析，获得开机过程无叶区压力脉动幅值及频谱特性。
已有成果多为机组不同位置压力脉动特性的研究，而涉及“S”特性对机组振动稳定性影响的并不多见。
本文结合真机实测压力脉动数值，对机组“S”特性区域压力脉动幅值特性进行分析，进一步探讨“S”特性区单位转速及单位流量变化对机组振动稳定性影响的规律，对水泵水轮机的设计选型工作提出建议。
水泵水轮机的S不稳定性及其应对措施
影响
1 空载不稳定 （同期，甩负荷）
2 反水泵工况效率 很低,气蚀严重, 噪音大,常产生 强烈的压力脉动 和机械振动,甚 至导致事故发生
3 空载至极小负荷 之间运行的逆功 率
从转轮结构上分析—S不稳定区
叶片长 转速高
离心效应大 大于
倒流现象
液流反压力 液流正压力 反水泵工况
以福建古田溪电站为例进行计算仿真
调节保证计算的要求 转数上升小于 50%，压力上升小于 40%
实测机组最大转速上升率为 38%，蜗壳进 口最大压力上升率为8.83%
不设调压井进行四种关闭方案的仿真
四种方案的仿真结果
调节保证计算的要求
转数上升小于 50%，压力上升小于 40% 实测机组最大转速上升率为 38%，蜗壳进口 最大压力上升率为8.83%
导叶预开法预开法原理
SO EASY !
YES ？
机组振动 压力脉动 动静干涉 流固耦合 空化空蚀 流击振动
机组运行不稳定
预开导叶个数及布置方式的影响（1）
分散对称
集中对称
分散对称
集中对称
预开导叶个数及布置方式的影响（2）
分散对称
集中对称
分散对称
集中对称
优方案
预开导叶开度的影响
分散对称
特点
1 飞逸工况下的单 位流量变大，转轮 内流动的轴对称性 也随之变差，可能 导致机组的脉动加 大，造成机组运行 不稳定
模型 基本参数 叶片数：9 转 频： 24 HZ 转 速：1440r/min 活动导 叶个数：20 预开导 叶个数： 4
导叶预开法的实现装置 导叶不同步预开装置(MGV) (Misalignment Guide Vanes)
“S”特性对可逆式机组低水头发电并网影响的分析及对策
“S ”特性对可逆式机组低水头发电并网影响的分析及对策徐广文河海大学水利水电工程学院，江苏南京 (210098)E-mail ：hhuxgw@摘 要：介绍可逆式水力机械的“Ｓ”特性，结合比转速、单位转速、单位流量等公式分析了“Ｓ”特性的形成原因。
并根据“Ｓ”特性的形成机理，结合可逆式机组的实际运行情况，特别是低水头时，分析其对机组发电运行的不利影响。
最后，分析解决措施并介绍了此方法在实际中的运用情况。
关键词：“Ｓ”特性；水泵水轮机；可逆式机组；低水头；发电并网中图分类号：TK71． 引 言随着研究逐步深入，抽水蓄能电站在电网中削峰填谷、旋转备用、调频、调相、负荷跟踪、增加可靠性、快速爬坡等功能不断被人们认识和重视。
市场经济的发展和人民生活水平的提高，对电网安全稳定运行提出了更高要求，所以结合实际情况，电网对各电厂机组运行均提出了明确的考核指标，如开机成功率、机组可用率、强迫停运次数、跳机次数等。
电网对抽水蓄能电站上述运行指标的考核标准都很高，因为抽水蓄能电站作为电网的保安电源，其机组运行的可靠性对电网安全稳定运行十分重要。
所以，分析解决影响可逆式机组安全稳定运行的因素，对于提高可逆式机组的上述运行指标十分必要。
和常规水电机组相比，可逆式机组需双向运行，所需设备较多，监控、保护也较复杂，所以影响可逆式机组稳定运行的因素也很多。
本文只针对水泵水轮机“S ”特性对可逆式机组低水头发电并网的影响，分析其原因和对策。
2． 水泵水轮机“S ”特性的概念介绍和分析水泵水轮机“Ｓ”特性之前，先列出分析中需要用到的四个公式[1]，如下： 比转速：3H Qn n s = （1） 轴功率：Mn QH P 3081.9πη== （2） 单位转速：H nD n =11 （3） 单位流量：HD Q Q 211= （4） 式中：n 为转速（r/min ）；Q 为流量（m3/s ）；H 为水头（m ）；D 为转轮直径（m ）；η为水轮机效率；M 为扭矩（N ·m ）。
水泵水轮机特点
天荒坪抽水蓄能电站水泵水轮机特点华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司游光华浙江安吉313302摘要天荒坪抽水蓄能电站的水泵水轮机组由挪威KVAERNER公司提供，是我国较早从国外引进的大型可逆式机组，自首台机组投产至今已有7年多。
本文总结分析了水泵水轮机7年多的运行中出现了一些问题，以供参考借鉴。
主题词天荒坪抽水蓄能水泵水轮机性能“S”形特性不稳定轴向水推力抬机导叶关闭规律天荒坪抽水蓄能电站安装有6台300MW水泵水轮机组，为单级、立轴、混流可逆式，额定净水头为526米，运行毛水头（扬程）为526米~610.2米，水轮机安装高程为225米，淹没深度为-70米，是目前国内已投产运行的水头和变幅最大的单级可逆式机组，在国际上也较罕见，为使其达到满意的效率和良好的运行稳定性，设计难度大，没有现成的经验可供借鉴。
水泵水轮机的参数如下：水轮机工况：水泵工况：额定容量：306MW 333MW最大轴出力（入力）：338MW 333MW额定流量：67.7m3/s 58.80m3/s（最大）43.00m3/s（最小）额定转速：500RPM 500RPM旋向（俯视）：顺时针逆时针转轮水轮机进口直径：4030mm转轮水轮机出口直径：2045mm最大瞬态飞逸转速：720 r/min最大稳态飞逸转速：680 r/min水泵水轮机及其辅助设备由挪威GE 公司提供。
水泵水轮机大修拆卸方式采用中拆方式。
首台机组于1998年9月30日投入运行，2000年12月25日所有机组投产，投产以来运行情况表明，机组性能良好，效率较高，但也出现了一些问题，在技术人员的努力下，通过采取措施，相关问题已得到了较好的解决。
1水泵水轮机的性能和结构特点1.1效率按照合同规定，水泵水轮机的效率按照模型试验来验收，合同要求水轮机工况的最高效率≥92.20％，加权平均效率≥90.41％，水泵工况最高效率≥ 91.70％，加权平均效率≥ 91.52％。
根据模型试验报告，水轮机工况的模型最优效率为90.61%，折算为原型其整个运行范围内的最优效率为92.28%，加权平均效率为90.317%，而水泵工况下模型最优效率为89.84%，折算原型最优效率为92.17%，加权平均效率为92.01%，除水轮机工况加权平均效率略低于保证值0.083％外，其余均达到合同要求。
MGV布置方式对水泵水轮机“S”特性影响研究
MGV布置方式对水泵水轮机“S”特性影响研究作者：吕文娟来源：《价值工程》2016年第24期摘要： MGV（非同步导叶装置）是目前改善和规避水泵水轮机“S”特性区问题最有效的装置。
以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机水轮机启动工况为研究对象，设定六种MGV布置方案，基于SIMPLE算法，采用标准κ-ε湍流模型对机组进行各方案工况下的全流道定常数值模拟，对比分析不同方案下机组“S”特性的改善。
结果表明：两对非同步导叶分散均布对机组“S”特性的改善最明显。
Abstract： The best effective solution to improve and evade the problem of the pump-turbine's "S" characteristic is misaligned guide vanes （MGV） technique. The paper chooses a pump-turbine model of pumped-storage power station as the research object which is in start-up condition. Six MGV arrangement plans are designed， and the steady numerical simulation of the whole flow passage is analyzed based on the standard κ-ε turbulent model and SIMPLEC algorithm. Analyze the external characteristics of the pump-turbine under the use of the MGV. The calculation results show that the unit is most optimal when asynchronous guide vane number is two， and is arranged evenly.关键词：水泵水轮机；S特性；MGV；数值模拟Key words： pump-turbine；the “S” characteristic；MGV；numerical simulation中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）24-0275-030 引言水泵水轮机是抽水蓄能电站的“心脏”，兼具水轮机与水泵两种功能，具有双向流动特性，工况转换频繁[1]。
水力机械的流体力学特性分析与优化设计
水力机械的流体力学特性分析与优化设计随着工业和农业的快速发展，水力机械作为一种重要的能源装置，广泛应用于水力发电、水资源利用和水务工程等领域。
而水力机械的流体力学特性对于其性能和效率具有重要影响。
本文将对水力机械的流体力学特性进行分析，并探讨优化设计的方法。
1. 水力机械的基本原理与分类水力机械是一类将水能转化为机械能的装置，根据其转换方式可以分为水轮机和水泵两大类。
水轮机将水能转化为机械能，实现发电或提供动力；水泵则将机械能转化为水能，用于提供供水、引水等功能。
2. 水力机械的流体力学特性分析流体力学特性是指在水力机械运行过程中，流体与机械相互作用所表现出来的力学现象。
首先，通过对水力机械内部的流体流动进行分析，可以了解其动态特性。
对于水轮机而言，流体流动对于转子叶片以及泄流装置的影响十分重要；对于水泵而言，流体流动则对于叶轮等关键部件的设计有着直接的影响。
其次，通过对水力机械内部的压力分布进行分析，可以进一步了解其静态特性。
合理的压力分布可以提高机械的传动效率，并降低能量损失。
最后，通过对水力机械的振动特性进行分析，可以评估其结构的稳定性和可靠性。
3. 水力机械流体力学特性的优化设计为了实现水力机械流体力学特性的优化设计，可以采取以下几种方法。
首先，通过理论分析和数值模拟，研究水力机械的内部流动规律，寻找流体力学优化的路径。
其次，借鉴其他领域的经验和理论知识，进行创新设计。
例如，可以引入空气动力学或船舶流体力学的相关理论，来改善水力机械的性能。
最后，结合实际工程应用需求，进行试验验证和实际运行测试。
通过不断改进和优化，提高水力机械的效率和可靠性。
4. 水力机械流体力学特性优化设计的挑战与展望在水力机械流体力学特性的优化设计过程中，仍存在一些挑战需要克服。
首先，水力机械涉及的流动问题通常十分复杂，需要借助先进的数值模拟方法进行分析。
其次，优化设计需要综合考虑多个因素，如流体力学特性、结构强度和材料选择等。
水泵水轮机全特性
水泵水轮机全特性1．水泵水轮机全特性曲线抽水蓄能电站的水泵水轮机均设有活动导叶，通过导叶调节水轮机运行时的流量，故水泵水轮机的特性曲线一般为一组不同导叶开度下的全特性曲线，其区域的划分与水泵的全特性区域划分一样，只是习惯上以正常水轮机运行工况的各参数为正。
同时抽水蓄能电站一般H 也总是正值，即在实际工程中实用也就是5个工况区，即水轮机工况、水轮机制动工况、水泵工况、反水泵工况、水泵制动工况。
水泵水轮机全特性曲线表示方法通常采用1111~n Q 和1111~n M 来表示。
图3-7和图3-8所示为某抽水蓄能电站水泵水轮机的四象限特性曲线。
图3-7 水泵水轮机流量特性曲线 图3-8 水泵水轮机力矩特性曲线2．水泵水轮机全特性曲线的特点通过对不同水泵水轮机的全特性分析可以看出，水泵水轮机全特性有着下述的规律与特点：（1）在水泵工况，大开度等导叶开度曲线汇集成一簇很窄的交叉曲线，说明在此区域水泵扬程与导叶开度的关系不大，开度的改变不会造成单位转速及单位力矩的很大的变化。
当导叶开度较小区域时随着导叶开度的减小其流量曲线及力矩曲线则加速分又，说明此时的导水机构可看作是节流装置，水头损失急剧增大，从而对水泵的力矩及流量产生较大的影响。
在水泵实际运行中导叶开度将随着扬程的变化而沿各导叶开度特性曲线的外包络线变化，使得水力损失最小，也即使得水泵的效率在此工况最高。
此外，随着单位转速的增大，也即水泵扬程的减小，水泵的流量及水力矩将快速增大，所以在水泵及电动机设计时应充分考虑此时水泵的力矩特性，电动机容量应根据可能的正常运行最低扬程工况进行设计，并留有一定的裕量；同时根据导叶小开度区域力矩分散的特性，在异常低扬程起动时（如初次向上水库异常低扬程充水时）可采取关小导叶开度来限制其水力矩，即限制水泵的入力在一定范围以内。
（2）水泵制动区力矩随单位转速的减小而逐渐增大，其中沿大导叶开度线要比小导叶开度线要明显得多；另外，各导叶开度线与单位转速坐标轴的交点集中，表明水泵水轮机冰泵的零流量点与导叶开度关系不大，同时各导叶开度线的切线基本为正斜率，表明随着水泵工况反向流量的增大其制动水力矩不断增大，但水力矩的增速逐渐变缓，同时单位转速减小，转速减小的速度逐渐加快，这主要是机组转动部件及水体有着惯性力矩的抑制作用。
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水泵水轮机“S”特性与改善研究
水泵水轮机在运行过程之中具有“S”特性，因为在某些程度上水泵水轮机的安全稳定运行因素也存在着制约，所以为了促进我国抽水蓄能技术的发展，需要针对水泵水轮机“S”特性进行分析与研究，从而提出其相应的水泵水轮机“S”特性改善措施，这对于预测水泵水轮机“S”特性具有现实意义，是优化我国水利机械水平的重要体现。
标签：水利机械；水泵水轮机；特性
水泵水轮机“S”特性主要体现在了工况并网启动、转速与定水头预测方法等多个方面，所以在明确其水泵水轮机“S”特性的基础之上，应该利用现有的数学计算模型来对水泵水轮机进行相应的预测，从而加强对于数学的修正，最大程度上降低数值预测方法的实际误差，利用空间曲面活动导叶等多种形式，对于目前水泵水轮机“S”特性进行相应的优化。
一、水泵水轮机“S”特性的具体体现
水泵水轮机“S”特性是指在机组处于或者接近全特性“S”区运行过程之中，机组会存在相应的不稳定现象，所以在不稳定机组进行投产试运行的过程之中，水头较低空载运行时转速来回摆动，并且在一定程度上会出现并网困难、发电并网之后的逆功率不断跳机等现象，所以为了提升空载的稳定性，在机组甩负荷的基础之上而能够实现空载稳定运行的现象，就要针对水泵水轮机“S”特性进行改善。
根据压力原理以及研究表明，水泵水轮机“S”特性是由压力脉动所引起的，而压力脉动则是由于导叶与转轮之间的动静干涉所引起的，所以要在水泵水轮机空载运行时掌握好压力脉动幅值最大的位置，从而预开启导叶与转轮之间，才能够更为明确地探究水泵水轮机“S”特性。
目前所采取的改进方式比如非同步预开装置等[1]，都是利用导叶开度的变化进行优化，但是虽然能够在一定程度上缓解水泵水轮机“S”特性，但是与此同时其水轮机的摆度以及振动幅度也相对增大，噪音音量持续提升，能够帮助水泵水轮机“S”特性短时间的运行改善，所以如何在长期运行的基础之上，针对水泵水轮机“S”特性进行优化是目前水泵水轮机发展过程之中所必须明确的重要问题。
二、水泵水轮机“S”特性的改善措施
（一）建立翼型空间曲面活动导叶数值计算模型
因为水泵水轮机工况小流量区域是处在“S”区附近，所以可以利用良种翼型空间曲面活动导叶数值来建立计算模型从而实现计算结果的对比以及分析，从而判断空间曲面的活动导叶翼型对于水泵水轮机“S”特性的实际影响。
而采取两种空间曲面活动导叶结构的状况，就能够加强不同条件的对比比较，从而探究出水泵水轮机在不同的来流条件下，其单位转速的变化以及单位流量的变化。
叶翼型NACA_1、导叶翼型NACA_2，这两种导叶翼型“S”特性类型应用在计算修正比较曲线之中能够有利于发现规律，即空间曲面活动导叶2按照水轮工况转轮转动方向计算的“S”性特征远远要深于常规活动导叶条件1下的计算修正结果，所以根据建立计算模型与比较数值可以得出，空间曲面活动导叶对于改善水泵水轮机“S”特性具有积极作用，既能够削弱翼型NACA_1的“S”特性，又能夠加深导叶翼型NACA_2“S”特性，所以在这一过程之中可以加强对于空间曲面活动导叶的应用，合理应用翼型结构的水泵水轮机空间曲面活动导叶[2]，能够有效改善水泵水轮机低水头的实际工况，大大提升了水泵水轮机的发展性能，促进水泵水轮机的良好发展。
（二）加装非同步导叶的处理方式
在具体的实施方案与对水泵水轮机“S”特性的分析过程之中，有效利了用加装非同步导叶的形式来提升其水泵水轮机的实际控制效果，先在导叶上到加入接力器，然后选择开启并且控制其开启的角度保持在二十五度的范围内，以预设开度来推动机组的装懂，并且当非同步导叶开启之后，其角度还会不断扩大，机组转速也会不断提升，并且还能够根据电网频率的调度中心进行统一调频调度，作出相应的指令反应。
在改善水泵水轮机“S”特性的方面上，非同步导叶体现在正常停机状态下不再开启，其次在机组抽水与机械故障甩负荷时也有同样的状态。
根据资料报道，机组在进行甩负荷行为之后，其有压力钢管的水压会出现多个高峰其与低谷然后才能够趋于平稳，所以根据实际实验的模型反馈，工况倒流流量自多能够达到每秒十三立方米，所以针对这一问题，应该注重机组甩负荷是的力矩平衡，只有掌握了其力矩平和的点，才能够提升机组的稳定程度，并且可以抑制因为水泵水轮机“S”特性所引起的震荡现象[3]。
（三）掌握导叶的关闭规律
无论是利用什么样的方式，在水泵水轮机“S”特性改善问题上都要以导叶为护理手段，比如在机组甩负荷的过程之中，可以利用导叶分段关闭处理的手段，利用抽水蓄能优势将导叶进行分段关闭，从而减小后期的震荡程度，其次也可以将导叶与球阀进行紧密配合，球阀控制开度，导叶则用来开关，这样能够快速降低流量，并且球阀所引起的流量下降程度会远远小于机组甩负荷的流量下降程度，在球阀将流量下降程度抑制之后，然后再进行慢速开关，也能够在较大程度上缓解水泵水轮机“S”特性。
其次还可以根据活动导叶的运动规律，在机组甩负荷之后直接立即进行关闭，但是于此同时要打开相应的活动导叶，这样在高度提升转速之后在进行关闭动作的操作也能实现水泵水轮机“S”特性的缓解，所以针对这些问题还有很大的有优化空间，可以在掌握导叶的活动与关闭规律的基础之上，加强对于导叶活动规律的有效应用，从而减轻水泵水轮机“S”特性。
（四）尽量消除水泵水轮机“S”型区域
在对于水泵水轮机的设计过程之中，为了最大程度上降低“S”特性对于水泵水轮机机组的实际影响，可以通过预先开启部分导叶的形式来增大过流量法，这种形式能够有效降低其危害性，但是也会提升整体设备的操作难度。
而在水利设计的过程之中，“S”形区域中的流道内的流态是没有办法完全改变的，所以要从水头、导叶开度变化、高度变化处进行着手，从而使得单位转速的水轮水泵机系统能够尽量远离“S”性区域，从而利用选择适当的导叶型号来为水泵水轮机“S”特性的优化与改善奠定基础，并且尽可能利用后期的维护与管理，来为调度行为以及系统控制起到技术支持与保护作用，降低因为控制系统操作复杂化程度而带来的维修与检修工作量[4]。
结语：
在目前的水泵水轮机“S”特性改善工作进行过程之中，还存在着较多的不足，不能够从根本上消除水泵水轮机“S”形区域，所以要在明确水泵水轮机“S”特性的基础之上，利用建立翼型空间曲面活动导叶数值计算模型、加装非同步导叶的处理方式、掌握导叶的关闭规律、尽量消除水泵水轮机“S”型区域等多种方法进行探究，以此对于水泵水轮机进行优化与改善，提升其水泵水轮机的应用性能。
参考文献：
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[4]熊涛，王康生.洪屏抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验分析[J].水力发电，2016（8）：74-76，86.。