关键词：水栗水轮机；CFD；流体设计；结构设计；实落差试验。

　　50年前，日立公司依靠自主技术开发的日本首台水泵水轮机国电力，大森电站12.250，扬程已经达到了130，1级别；此后，又开发出世界上首台超过50，1级水泵水轮机电源开发公司，沼原电站23，肘贾，1973年投入运行；进而开发出7781超高扬程水泵水轮机东京电力公司，葛野电站412触界，如容量是原来的35倍。

　　水泵水轮机的设计水压与基准落差间的关系上水库2资料来源于中国抽水蓄能电站建设，中国水力发电工程学会主编。为了实现像葛野电站这样创纪录的水泵水轮机，除了要拥有踏踏实实的研究开发及在解决问过程中所获得的技术储备以外，还与近年来的高精度流体解析00及结构解析0人等技术手段的进步密不可分。

　　收稿曰期20010孚20 2流体设计技术水泵水轮机从蜗壳到尾水管所有流体设计中都应用了流体解析，为了验证最终的性能，实施了水力模型试验。近来对于在桌面上设计的过流面形状，也可以进行流体解析与性能预测，如叶片出入口角度的好坏，翼面上的负荷分布，气蚀气泡发生时的吸出高度及发生位置，转轮内的小流量逆流现象引发较大振动时的扬程，水力损失的大小与分布等。

　　以前是在制作模型后，采用皮托管和油膜流迹法观察流动状态，为了验证设计效果往往要花费大量的时间。如今利用数字模型，在桌面上短时间内就可以判断流体设计的好坏。

　　在流体设计中，使用在满足叶片角度和叶片间开口的设计要求下自如地展成平滑转轮形线的形线展成工具。这个工具可以在短时间内生成流体解析的要素模型，还可以输出模型与实物制造中所需要的，点列。实际利用翼面展成工具制作的转轮流体解析要素申，型实例不于3暂。

　　在流体设计中应用的流体解析技术，除了在几分钟内可以计算出压力速度分布的非粘性恒定准维流解析利用紊流模型的恒定紊流解析以外，还有可以计算随时间变化流动现象及损失的非恒定紊流解析。

　　从流体设计的初步设计阶段到详细设计的各个阶段，通过分别应用这些水平各异的解析，提高了设计效率和精度。计算转轮内损失分布的实例于3，逆流现象发生时的速度分布于3，这两个都是非恒定紊流解析的实例，可以时时刻刻地观察到随时间变化形成脱流的情况。

　　由于混流式水泵水轮机的转轮是定桨式的，所以在部分负荷低扬程工况点下会偏离设计点，容易产生气蚀和较大的脱流，同时由旋转回流产生的振动噪音也将增大。针对这些非设计点下的流动状态，可以通过流态解析加以改善。

　　旦达到超高扬程，出力定流量就会变小，与此相对应转轮密封的漏水流量也会，加，这样往往导致效率下降。通过把传统的多段密封的段数上冠侧3段，下环侧4段分别增至4段和5段，可以提高效率。

　　3结构设计技术在超高扬程水泵水轮机的结构设计中，针对需要对主要部件进行了维，人，设计，在制作出维设计模型后，就立刻实施解析用，1有限元分割，进行各，失分布，轮，1片，说种解析。例如，转轮固有振动频率的计算，座环与顶盖间密封部因启动停机引发间隙变化的预测，固定导叶无，主轴承部分水压引发变形的预测，进口阀应力与变形的解析等，同时实现了结构合理化与板厚等的最优化。4出葛野水泵水轮机的304入0装配。

　　对于转动部件，通过实际运行模拟，可确认尺寸是否有误及有无干涉等，还进步将顶盖内的冷却水管平衡管扬水启动用的给排水管模型化，在确认安装返修工艺的同时，对设计作出改进。

　　与传统的500m300MW级水泵水轮机相比，超高扬程水泵水轮机具有以下主要特征。

　　超高扬程水泵水轮机的转轮和蜗壳尺寸虽然与传统机型大体相当，但转速却从传统机型的4291上升到50，达到速化。设计水压考虑到甩负荷时水锤引起的水压上升及扬水启动时截止水压，确定为12阽3，参2.为了避免可动部位的滞涩和密封部位的漏水等现象，采纳了把在设计水压下产生的水荥水轮机各部位位移量确定为与传统机型处在同水平的基本设计思想。因此，很多部件的板厚增加了，形成了高刚性设计。

　　下珥机氩为了使固定导叶可以承受设计水压的强度，固定导叶的厚度变厚，导致检修时人员进出困难，故将固定导叶数由原来的20枚减至枚。考虑到强度与流体性能，选定了长长的流线形转轮叶片数目采用了7枚叶片，这是因为通过实落差实扬程试验证实了变动应力比6枚叶片还小，人员的进出通畅性通过转轮实物大小的部分模型进行了确认。

　　关于顶盖和底环的活动导叶根部的止漏环，为避免即使高压水浸入也不至于出现剥离现象，采用了焊接不锈钢轧制钢板的新型结构顶盖内腔因有很多确保刚性的厚筋板而变得狭小，所以，主轴承油箱采用外部强制冷却的强制润滑方更加通畅。通过顶盖内部的各种管路采用方箱支撑方等现象。支撑位置与间隔，也结合管路的口径与壁厚进行了优化。

　　为了防止活动导叶操作机构绞入异物后出现剪断销断裂时活动导叶摇动，装入了摩擦把紧装置。

　　底环和座环等埋入件在工地安装时，由于焊接和浇混凝土产生变形，这将是导致顶盖水密封不良的原因。因此，顶盖与这些埋入件的结合面在工地进行机械加工，完全消除了因密封部的变形引发的初期间隙。

　　进口阀为口径20说1的回转阀，采用了紧急时可以截断水流的设计。打开主阀前的蜗壳充水，采用与以往相同的方式，即开启旁通阀。主阀的开闭使用工作压力为6.9的单个油压接力器。分两瓣结构的阀体阀轴与体活门均是铸钢件。主阀阀轴的轴承为固体润滑的无油轴承。在上下游分别设置随水压动作的可动式密封环，当下游密封出现故障时，上游密封切换成工作密封。

　　4部套试验对超越历来业绩的高速高压条件下所使用的主要部件进行了实物大小或者缩小模型试验，验证其性能强度可靠性及耐久性等。

　　4.1实落差与实扬程模型试验旦达到了超高扬程，转轮叶片与活动导叶间因叶栅干涉而产生压力脉动，转轮在水中固有振动频率及其加振模式下产生共振，这就有可能降低强度可靠性。脉动压力与由转轮和活动导叶的片数组合所决定这个加振模式和频率旦与转轮的固有振动模式和水中固有振动频率相致，就会引发共振，发生大的变动应力。

　　转轮的累计损害因恒定运行状态下反复应力引发转轮在水中的固有振动频率远离，降低转轮的变动应力。但是，转轮在水中的振动受附加质量的影响是复杂的，故采用实落差实扬程模型进行了试验。

　　该模型试验可以同时满足叶栅干涉加振力频率这样的流体力学特性的相似条件，以及水中振动物体件。供本试验用的模型转轮是用与实物相同的材质制造的，实物与过流面非过流面都完全相似，所以具有与模型比成比例的水中固有振动频率。

　　试验转速旦提高至与额定转速相当实物转速的模型比的程度，试验落差扬程就变成了实落差实扬程。在这个状态下，测定转轮的变动应力，改变转速，测定转轮的水中固有振动频率，发现转轮的水中固有振动频率降低至空气中的5倍左右。

　　查明了转轮的共振，如果要避开影响水力性能的过流面，则只要改变上冠下环的刚性及转轮背压室的间隙就可以实现。包括启动停机甩负荷时的变动应力及反复出现的次数在内，实施了综合性的疲劳强度评价，确定了转轮的容许缺陷尺寸。

　　在实物转轮的制造时，通过对上冠的背面进行机械加工等手段严格控制其厚度刚性，进而确保了失调率共振转速额定转速。

　　4.2主轴水密封装置伴随着超高扬程化，密封水压和滑动速度也将增加，主轴水密封装置的使用条件会变得恶劣。使用实物大小的试验装置，验证了水密封性能，以及在恶劣运行条件下的可靠性与耐久性。基本结构虽然与以往大体相同，仅仅是加大了密封高度，采用了2段碳密封和1段树脂密封。即使1段碳密封出现故障丧失了水密封的功能，仅靠另1段碳密封来封水也不会超过密封试验证实，即使是出现像甩负荷等那样大的轴振动状态，密封环仍能跟踪保持封水性能，即使是混入泥沙仍具有足够的耐磨性能。同时确认了在扬水启动和调相运行工况下，当转轮室和尾水管的水被压缩空气压下，使主轴水密封装置的周围充满了空气，即使是供给的冷却水中断了，只要冷却水管内仍然残留有水，密封就可以保持正常工作。

　　4.3活动导叶轴端水密封截止水压及甩负荷时的水冲击压力直接作用在活动导叶轴端水密封上，并且每当改变出力时都发生滑动。活动导叶下部轴端由于不带操作机构，所以若是封闭了下部轴承的底部，就可以省略活动导叶下部轴密封。但是，在顶盖侧需要有可以承受强大向上推力并且可以滑动的支撑台。最终决定，下部轴侧也采用大气开放式，与上部轴侧样设置水密封。水密封采用具有与英文字母口相似断面形状的合成橡胶材质种类及硬度段数的条件下，用实物大小的模型模拟实际轴的旋转往复滑动，进行耐久性试验，进而选择了运行时间最长且无漏水密封损伤小的产品。

　　4.4顶盖的水密封顶盖与座环间的水密封也与上述样，水压直接作用其上，并且间隙随启动停机时的水压变化而变化。间隙旦过大，圆橡胶就会被水压从槽内挤出，在这种状态下，水压下降圆橡胶就会被挤伤。如果因启动停机原因而反复出现这种状况，在短时间内就会漏水。

　　应用同时可以模拟这样的水密封间隙变动以及启动停机时的水压变化的试验装置进行了耐久性试验。

　　改变圆橡胶的填充率材质槽的形状等，根据有无漏水和橡胶的损伤状况等因素选定了最佳方案。容许的最大间隙也是由该试验确定的。通过变形解析求出因启动停机所引发的间隙变化，根据间隙的变化算出容许的安装初始间隙。因此，在工地通过机械加工的手段完全可以消除底环及座环的安装变形。

　　4.5调相漏气试验超高扬程水泵水轮机的吸出高度超过100调相运行时的尾水管内的压下空气密度就会超过大气的10倍以上。在压下的空气中运行的转轮就会从被压下混入水中的气泡就会随之出现在尾水管下并产生次回流，经过尾水管肘管逃逸到尾水渠中，从而形成压下空气的漏气。旦漏气超过了空压机的容量，就无法实现长时间调相运行。这就是调相漏气现象。

　　对于各种各样的尾水管形状，用气液双相流动解析计算水中的气泡动向，并进行漏气量的相对评价。

　　以与实际吸出高度相当的空气压力驱动转轮，进行调相漏气模型试验，找出漏气少的尾水管形状。

　　工地试验结果工地安装调试后，进行有水试验，试验结果6.由6可知，尽管扬程容量都有很大提高，但其振动噪音水平都小于常规机组，这是应用最新技术进行了适当的流体设计与结构设计的结果。

　　在实落差实扬程模型试验中获得转轮共振点为法已得到哈尔滨电机有限责任公司水电专家们的赞同。

　　责任编辑欧阳越4281失调率14.30，与此相对在实物顶盖的振动加速度上可转轮共振峰值的转速与419rmill失调率16.2相当吻合。

　　主轴水密封装置的漏水少，活动导叶顶盖水密封性能良好。根据尾水管内压下水面的上升时间测定的调相漏气量接近来自主轴封水装置的漏气量，几乎没有来自尾水管的漏气量，顺利地进行了空转入力不大且时间长的调相运行。

　　顶盖内管路的振动也不大，所以认为管路的支撑结构及支撑位置是合适的。

　　结语在此，简要地介绍了超高扬程水泵水轮机开发中些关键部件的流体设计结构设计，以及主要部套特殊运行技术。今后，日立公司将以性能的进步提高结构更趋于合理化各个部套的进步改善易于检查与维修为目标，积极开展工作，同时不仅把在该开发中获得的技术成果应用到水泵水轮机中，也应用到专用水轮机领域中。