抽水蓄能电站水泵水轮机设计浅析概要VIP专享VIP免费

抽水蓄能电站水泵水轮机设计浅析王泉龙（哈尔滨电机厂有限责任公司哈尔滨150040）[摘要]本文根据哈尔滨电机厂有限责任公司近年来抽水蓄能技术引进和技术创新以及在多个项目工程实践经验，简要分析了水泵水轮机与常规水轮机相比从水力设计到机械设计等方面的技术特点。[关键词]水泵水轮机水力设计机械设计1前言目前国外投入运行的单级混流式水泵水轮机的最大扬程已经达到778m（日本葛野川），最大单机容量已经达到470MW（日本神流川）。可变速的抽水蓄能机组单机最大容量已经达到412MW（日本葛野川）。我国发电设备制造行业对抽水蓄能技术的开发起步较晚，已陆续建成的300MW级大型抽水蓄能机组全部为进口设备。为弥补这方面的空白，哈电自1977年起就与清华大学等单位合作进行了部分水头段水泵水轮机的水力研究，取得了一些较好的试验成果。2000年哈电获得了2台60MW回龙抽水蓄能机组的供货合同，2002年又获得了2台150MW白山抽水蓄能机组的供货合同。2002年哈电作为GE公司的分包方承接了2台300MW韩国青松水泵水轮机、进水阀门及其辅助设备(BOP机械部分的制造任务，两台机组中除转轮和主轴密封外，其余部分均由哈电供货，设计方面GE公司只提供概念设计，哈电完成施工设计。2003年国家发改委又以惠州、宝泉和白莲河抽水蓄能机组为依托工程，以哈电和东方电机股份有限公司作为技术受让方引进了法国阿尔斯通公司在抽水蓄能机组设计制造方面的关键技术。通过技术引进、消化吸收和技术再创新，以及近期几个项目的工程实践，国内设备制造公司已经具备了300MW等级的抽水蓄能机组设计、制造、系统集成和现场调试的能力。2水力设计技术水力设计的目的是通过计算机数值分析对水泵水轮机的通流部件进行优化并预估其水力性能。水泵水轮机设计与常规的水轮机区别较大，除常规的能量、空化和稳定性外，S特性和驼峰区是研究的重点，但均采用CFD方法和相同的流动计算商业软件包。水泵水轮机通流部件数值分析主要是计算蜗壳、双列叶栅、转轮、尾水管内部的水流流动情况，通过计算出的压力场、速度场、流场等结果对通流部件的水力性能做出评判。数值分析采取各通流部件单独计算。在技术转让过程中，阿尔斯通公司对水力设计所涉及的商业软件进行了全面培训，转让了全部的自开发软件。哈电在引进技术消化吸收基础上，自行开发设计了500m水头段转轮，通过模型试验其性能与引进的转轮性能相当。自行开发了响水涧蓄能电站水泵水轮机水力模型，并经瑞士洛桑国际中立水力试验台的模型试验验证其性能达到当今世界先进水平。同时还完成了溧阳、仙居项目的水力设计和模型试验工作，其各项性能指标均达到较高水平。2.1转轮的数值计算转轮要兼顾水轮机和水泵工况两种功能，其主要设计步骤为：根据两种运行工况的要求，选定一个可以由一个转轮最大程度满足两种工况要求的设计参数；通常以泵工况为基础进行水力设计，再以水轮机工况的要求来校核，通过CFD分析结果在一定范围内调整修改。采用专用设计软件进行转轮轴面流线设计、翼型骨线设计和翼型实体设计后生成叶片翼型，应用CFX-Turbogrid对叶片做单周期结构化网格划分（见图1），生成的计算网格文件采用CFX-TASCflow进行数值计算（图2~图4）。图1CFX-Turbogrid网格划分图2压力面压力分布图3下环速度分布图4流线分布应用CFX-TASCflow自带宏命令可直接对计算网格结果进行后处理计算，求解效率、扬程、力矩、功率等性能参数。2.2双列叶栅的水力设计水泵水轮机双列叶栅考虑到两种工况运行其翼型与常规水轮机有所不同，经初始翼型设计后，应用ANSYS软件按转轮高压侧高度拉伸、造型生成单周期双列叶栅实体，做非结构化周期网格划分，并对导叶固壁面边界层进行三棱柱网格加密，生成双列叶栅三维非结构化网格，导入CFX5做双列叶栅联合数值分析。以下(图5、图6是部分水泵水轮机双列叶栅网格划分及数值分析结果。图5双列叶栅计算网格图6双列叶栅压力分布对于水泵水轮机双列叶栅的优化设计主要侧重水轮机工况的数值分析,主要目的是提高水轮机水力性能，而优化转轮的主要目的是提高水泵水力性能。2.3蜗壳的数值分析水轮机工况下，蜗壳使水流能均匀地进入到转轮，并使水流进入导水...