高水头水泵水轮机叶片构型对内部流动与压力脉动的影响机制研究：9叶片转轮与6+6长短叶片转轮的对比分析

《Water》：Insight into the Influences of Blade Configuration on Internal Flow and Pressure Pulsation in High-Head Pump-Turbine: 9-Blade Versus 6+6 Long-Short-Blade Runners

　　

高水头可逆式水泵水轮机（pump-turbine）在泵工况运行时常遭受驼峰不稳定性（hump-instability）困扰，且双向运行需求使泵工况与水轮机工况特性之间存在固有性能权衡。6+6长短叶片转轮（6+6 long-short-blade runner）被认为是缓解泵工况驼峰不稳定性的有力候选方案。本研究以一台高水头抽水蓄能水泵水轮机为研究对象，遵循上述工程原则。建立了包含蜗壳（volute）、固定导叶（stay-ring）、活动导叶（guide vanes）、转轮（runner）及尾水管（draft-tube）的全过流通道计算流体动力学（CFD）模型，采用SST k-ω湍流模型。数值方法经模型试验外特性数据验证。针对原型9叶片转轮与6+6长短叶片转轮开展了定常与非定常数值模拟。结果表明，在泵工况运行下，6+6构型将驼峰不稳定区向低质量流量方向移动，使其远离机组主要运行范围。短叶片分隔流道，抑制了驼峰区内的大尺度通道涡（channel vortices），并缓解了无叶区（vaneless space）内的流动不对称性。然而，长短叶片交接处存在局部冲击与二次流损失，且短叶片前缘存在潜在空化（cavitation）风险。该构型仅实现了不稳定区的迁移而非完全消除驼峰不稳定性。选取典型50%部分负荷水轮机工况进行约束性验证。6+6转轮使尾水管监测点压力脉动幅值分别降低25.52%和19.83%，抑制了偶发性大幅值压力波动并改善了信号周期性一致性。本工作的新颖性在于，针对655 m水头机组，在泵优先设计理念下定量揭示了此类权衡特性，证明6+6长短叶片方案并非普适性优化措施。

高水头水泵水轮机叶片构型对内部流动与压力脉动的影响研究解读

一、研究背景与意义

在“双碳”战略目标驱动下，中国抽水蓄能电站建设步伐持续加快。作为新型电力系统中兼具调峰、填谷、调频、调相等多重功能的核心调节电源，高水头、大容量、高转速可逆式水泵水轮机已在大型工程中得到广泛应用。随着机组设计水头不断突破、运行工况范围进一步拓展，高水头水泵水轮机面临严峻的水力稳定性挑战。转轮与导叶间的强动静干涉效应、转轮狭窄细长的流道结构以及复杂多变的运行工况，易诱发无叶区压力脉动、叶片通道涡、尾水管涡带及S特性等水力失稳现象，进而导致机组振动、摆度超标及部件疲劳损伤等问题，严重威胁抽水蓄能机组长期安全可靠运行，已成为制约高水头抽水蓄能装备发展的关键技术瓶颈。

转轮是实现水能与机械能双向转换的核心过流部件，叶片构型直接决定机组的水力效率、空化特性与流动稳定性，是改善内部流动、抑制水力失稳现象的核心优化目标。在泵工况稳定性研究中，驼峰不稳定性是高水头抽水蓄能机组泵工况运行面临的突出问题。现有研究普遍认为，驼峰现象本质上归因于低流量工况下转轮叶片通道内涡旋、流动分离及导叶区旋转失速的综合作用，流道堵塞导致扬程非单调变化，驼峰区还伴随强烈低频压力脉动。水轮机工况下的压力脉动同样制约发电系统安全运行，主要包含转轮与导叶间动态干涉产生的高频脉动及部分负荷下尾水管螺旋涡带诱发的低频脉动两类来源，二者相互耦合，是引发机组振动和过流部件疲劳损伤的重要原因。

长短叶片构型是调节转轮内部流动的重要技术途径，依靠长短叶片交替布置重新划分叶片通道并调整叶片载荷分布，已在常规混流式水轮机中广泛应用。然而，现有关于长短叶片构型的研究多继承自常规混流式水轮机研究，或仅单独关注泵工况或水轮机工况。对于高水头水泵水轮机，鲜有研究按照工业应用的泵工况优先设计、水轮机工况约束验证原则，对原型9叶片与6+6长短叶片转轮进行定量对比。长短叶片几何带来的双向性能权衡尚未得到充分量化，这构成了可逆式转轮水力设计的研究空白，也催生了本项工作。

二、关键技术方法

研究人员以额定水头655 m的高水头可逆式水泵水轮机模型为研究对象，构建包含蜗壳、座环固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管五大过流部件的全过流通道计算域，分别建立9叶片转轮与6+6长短交替叶片转轮两套几何模型。采用SST k-ω湍流模型进行三维不可压缩粘性湍流计算，控制方程为连续性方程与纳维-斯托克斯（N-S）动量方程。网格策略采用混合网格方案：蜗壳采用四面体网格，固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管采用六面体结构化网格，关键高梯度区域局部加密，y+值控制在10至300之间。以设计流量Q=0.233 m3/s下的扬程为评价参数，对126.2万、298.2万、444.1万三套网格进行收敛性分析，基于理查德森外推法，GCI₃₂=0.183%，GCI₂₁=0.0224%，均小于0.5%，综合考虑离散误差与计算成本后选用298万网格方案。泵工况采用质量流量入口与静压出口边界，定常计算采用冻结转子（Frozen-Rotor）交界面，非定常压力脉动计算采用瞬态转子-定子（Transient-Rotor-Stator）交界面，时间步长5.55556×10^-4 s，总计算10个周期，RMS残差收敛目标1×10^-5。数值模型经高水头水泵水轮机模型试验台外特性数据验证，泵工况下扬程与效率随流量的变化趋势与试验结果高度一致，最优工况附近计算误差小于5%，满足旋转机械CFD仿真的工程精度要求。水轮机工况则相应反转旋转方向与进出口边界。

三、研究结果

3.1 泵工况水力性能对比

9叶片转轮泵工况外特性在低流量区呈现明显的扬程非单调变化，驼峰敏感工作区与机组实际运行范围存在部分重叠。6+6长短叶片方案将驼峰不稳定区整体向低流量侧迁移，使原本靠近机组正常运行范围的失稳区域远离实际工作范围，有效降低了机组正常负荷调节过程中进入驼峰不稳定区的风险。然而，外特性曲线同时揭示，6+6构型在实现驼峰不稳定区迁移的同时，高流量工况下扬程下降更为迅速，体现出性能权衡特征。

3.2 泵工况定常流场特性对比

选取高流量与驼峰临界区多个典型工况进行流场对比。高流量工况下两套转轮通道内部流动整体顺畅，回流与流动分离现象较弱。随流量逐渐减小，转轮通道内逆压梯度持续增大，叶片吸力面边界层分离，产生大尺度转轮通道涡结构。9叶片转轮在驼峰低流量工况下，叶片通道涡占据流道截面大部分面积，造成显著流道堵塞，涡结构进一步蔓延至无叶区，诱发大尺度周向不对称流动。6+6长短叶片转轮通过短叶片分隔原长叶片流道，实现叶片载荷再分配，有效抑制了通道涡的空间尺度与扩展程度，无叶区流动不对称特性得到缓解。但长短叶片交界面位置引发局部流体冲击与二次流，形成局部高损失区；短叶片前缘出现局部低压区，带来潜在空化风险。当流量进一步降至极低水平时，两套转轮均发生显著流动分离，6+6构型仅将驼峰不稳定区向低流量方向迁移而非完全消除驼峰不稳定性。

3.3 水轮机工况非定常流动与压力脉动特性

选取对应原型额定水头与50%输出的模型换算工况进行压力脉动分析，该工况为典型部分负荷调节工况，偏离最优效率点，对转轮构型差异高度敏感。9叶片转轮在尾水管测点P4、P5处，0.4倍转频（f_n）附近出现显著低频主峰，反映尾水管内存在强烈大尺度非定常流动，与尾水管旋转涡结构、涡带进动效应及流动分离等物理机制密切相关。无叶区压力脉动能量主要集中于9倍转频（9f_n）叶频及其各次谐波，表明转轮叶片周期性扫掠、转轮出口尾缘及导叶动静干涉是无叶区压力波动的主导诱因。不同周向位置测点的脉动幅值与频率成分存在显著差异，证明9叶片转轮出口流场具有显著周向不均匀特性。

6+6长短叶片构型通过长短叶片交替布置重构转轮叶片通道拓扑，长叶片承担主要能量转换任务，短叶片发挥引导流道内部流动和分担部分载荷的作用，旨在优化流道流场组织并改善转轮出口速度与压力分布均匀性。频谱分析显示，6+6转轮压力脉动主频发生显著变化，频谱中出现1f_n、6f_n、12f_n等新特征频率，这是长短叶片交替布置导致叶片数分布改变的直接结果。峰峰值统计表明，无叶区测点P1基本保持稳定，P2小幅增加2.18%，P3基本不变，无叶区三测点平均峰峰值系数从12.832%增至12.960%，局部测点波动幅值略有恶化。相比之下，尾水管区测点P4和P5分别降低25.52%和19.83%。逐周期统计分析发现，6+6方案并非均匀降低每个旋转周期的波动水平，其主要功能在于抑制原型方案中的偶发大幅值压力波动，提高压力波动信号的周期性一致性。

四、结论与讨论

本研究以泵工况优先、水轮机工况约束验证的工程开发理念为指导，系统比较了常规9叶片构型与新型6+6长短叶片构型的水力性能、定常流场分布及非定常压力脉动特性。研究得出三点核心结论：其一，泵工况下6+6长短叶片设计有效将驼峰不稳定范围向低流量方向迁移，使失稳区域与机组常规运行范围隔离，短叶片分隔内部流道显著抑制了驼峰工况下大尺度通道涡的生成并缓解无叶区不对称流动分布，但该构型同时引入固有性能折衷——长短叶片交界界面诱发局部二次流与冲击损失，导致高流量工况下扬程下降更陡，短叶片前缘面临潜在空化风险，且6+6结构仅实现驼峰不稳定的偏移而非完全消除驼峰现象；其二，50%部分负荷水轮机工况下，6+6长短叶片构型在水轮机尾水管流动稳定性方面带来显著改善，有效降低尾水管峰峰值压力脉动幅值、抑制偶发极端大幅值压力波动并增强内部流动波动的周期性一致性，而常规9叶片转轮在无叶区表现出更稳定的压力脉动性能，无异常幅值增量，6+6设计未能优化无叶区压力脉动，甚至导致部分测点波动幅值轻微增大，揭示出典型的性能权衡特征，表明长短叶片构型的流动优化效益具有局部性，两种设计均无法实现全流道区域的水力稳定性综合优化；其三，本研究填补了高水头可逆式水泵水轮机长短叶片转轮多工况对比性能分析的研究空白，证明对于655 m级高水头可逆式抽水蓄能机组，单一目标的泵驼峰特性优化是不充分且片面的，优化后的6+6长短叶片设计更适用于对泵运行稳定性和低流量驼峰失稳抑制有严格要求的水力工况场景，而常规9叶片设计更适用于优先关注无叶区流动稳定性与全工况性能均匀性的机组。