關鍵詞：水栗水輪機；CFD；流體設計；結構設計；實落差試驗。
50年前，日立公司依靠自主技術開發的日本首臺水泵水輪機國電力，大森電站12.250，揚程已經達到了130，1級別；此后，又開發出世界上首臺超過50，1級水泵水輪機電源開發公司，沼原電站23，肘賈，1973年投入運行；進而開發出7781超高揚程水泵水輪機東京電力公司，葛野電站412觸界，如容量是原來的35倍。
水泵水輪機的設計水壓與基準落差間的關系上水庫2資料來源于中國抽水蓄能電站建設，中國水力發電工程學會主編。為了實現像葛野電站這樣創紀錄的水泵水輪機，除了要擁有踏踏實實的研究開發及在解決問過程中所獲得的技術儲備以外，還與近年來的高精度流體解析00及結構解析0人等技術手段的進步密不可分。
收稿曰期20010孚20 2流體設計技術水泵水輪機從蝸殼到尾水管所有流體設計中都應用了流體解析，為了驗證最終的性能，實施了水力模型試驗。近來對于在桌面上設計的過流面形狀，也可以進行流體解析與性能預測，如葉片出入口角度的好壞，翼面上的負荷分布，氣蝕氣泡發生時的吸出高度及發生位置，轉輪內的小流量逆流現象引發較大振動時的揚程，水力損失的大小與分布等。
以前是在制作模型后，采用皮托管和油膜流跡法觀察流動狀態，為了驗證設計效果往往要花費大量的時間。如今利用數字模型，在桌面上短時間內就可以判斷流體設計的好壞。
在流體設計中，使用在滿足葉片角度和葉片間開口的設計要求下自如地展成平滑轉輪形線的形線展成工具。這個工具可以在短時間內生成流體解析的要素模型，還可以輸出模型與實物制造中所需要的，點列。實際利用翼面展成工具制作的轉輪流體解析要素申，型實例不于3暫。
在流體設計中應用的流體解析技術，除了在幾分鐘內可以計算出壓力速度分布的非粘性恒定準維流解析利用紊流模型的恒定紊流解析以外，還有可以計算隨時間變化流動現象及損失的非恒定紊流解析。
從流體設計的初步設計階段到詳細設計的各個階段，通過分別應用這些水平各異的解析，提高了設計效率和精度。計算轉輪內損失分布的實例于3，逆流現象發生時的速度分布于3，這兩個都是非恒定紊流解析的實例，可以時時刻刻地觀察到隨時間變化形成脫流的情況。
由于混流式水泵水輪機的轉輪是定槳式的，所以在部分負荷低揚程工況點下會偏離設計點，容易產生氣蝕和較大的脫流，同時由旋轉回流產生的振動噪音也將增大。針對這些非設計點下的流動狀態，可以通過流態解析加以改善。
旦達到超高揚程，出力定流量就會變小，與此相對應轉輪密封的漏水流量也會，加，這樣往往導致效率下降。通過把傳統的多段密封的段數上冠側3段，下環側4段分別增至4段和5段，可以提高效率。
3結構設計技術在超高揚程水泵水輪機的結構設計中，針對需要對主要部件進行了維，人，設計，在制作出維設計模型后，就立刻實施解析用，1有限元分割，進行各，失分布，輪，1片，說種解析。例如，轉輪固有振動頻率的計算，座環與頂蓋間密封部因啟動停機引發間隙變化的預測，固定導葉無，主軸承部分水壓引發變形的預測，進口閥應力與變形的解析等，同時實現了結構合理化與板厚等的最優化。4出葛野水泵水輪機的304入0裝配。
對于轉動部件，通過實際運行模擬，可確認尺寸是否有誤及有無干涉等，還進步將頂蓋內的冷卻水管平衡管揚水啟動用的給排水管模型化，在確認安裝返修工藝的同時，對設計作出改進。
與傳統的500m300MW級水泵水輪機相比，超高揚程水泵水輪機具有以下主要特征。
超高揚程水泵水輪機的轉輪和蝸殼尺寸雖然與傳統機型大體相當，但轉速卻從傳統機型的4291上升到50，達到速化。設計水壓考慮到甩負荷時水錘引起的水壓上升及揚水啟動時截止水壓，確定為12阽3，參2.為了避免可動部位的滯澀和密封部位的漏水等現象，采納了把在設計水壓下產生的水滎水輪機各部位位移量確定為與傳統機型處在同水平的基本設計思想。因此，很多部件的板厚增加了，形成了高剛性設計。
下珥機氬為了使固定導葉可以承受設計水壓的強度，固定導葉的厚度變厚，導致檢修時人員進出困難，故將固定導葉數由原來的20枚減至枚�？紤]到強度與流體性能，選定了長長的流線形轉輪葉片數目采用了7枚葉片，這是因為通過實落差實揚程試驗證實了變動應力比6枚葉片還小，人員的進出通暢性通過轉輪實物大小的部分模型進行了確認。
關于頂蓋和底環的活動導葉根部的止漏環，為避免即使高壓水浸入也不至于出現剝離現象，采用了焊接不銹鋼軋制鋼板的新型結構頂蓋內腔因有很多確保剛性的厚筋板而變得狹小，所以，主軸承油箱采用外部強制冷卻的強制潤滑方更加通暢。通過頂蓋內部的各種管路采用方箱支撐方等現象。支撐位置與間隔，也結合管路的口徑與壁厚進行了優化。
為了防止活動導葉操作機構絞入異物后出現剪斷銷斷裂時活動導葉搖動，裝入了摩擦把緊裝置。
底環和座環等埋入件在工地安裝時，由于焊接和澆混凝土產生變形，這將是導致頂蓋水密封不良的原因。因此，頂蓋與這些埋入件的結合面在工地進行機械加工，完全消除了因密封部的變形引發的初期間隙。
進口閥為口徑20說1的回轉閥，采用了緊急時可以截斷水流的設計。打開主閥前的蝸殼充水，采用與以往相同的方式，即開啟旁通閥。主閥的開閉使用工作壓力為6.9的單個油壓接力器。分兩瓣結構的閥體閥軸與體活門均是鑄鋼件。主閥閥軸的軸承為固體潤滑的無油軸承。在上下游分別設置隨水壓動作的可動式密封環，當下游密封出現故障時，上游密封切換成工作密封。
4部套試驗對超越歷來業績的高速高壓條件下所使用的主要部件進行了實物大小或者縮小模型試驗，驗證其性能強度可靠性及耐久性等。
4.1實落差與實揚程模型試驗旦達到了超高揚程，轉輪葉片與活動導葉間因葉柵干涉而產生壓力脈動，轉輪在水中固有振動頻率及其加振模式下產生共振，這就有可能降低強度可靠性。脈動壓力與由轉輪和活動導葉的片數組合所決定這個加振模式和頻率旦與轉輪的固有振動模式和水中固有振動頻率相致，就會引發共振，發生大的變動應力。
轉輪的累計損害因恒定運行狀態下反復應力引發轉輪在水中的固有振動頻率遠離，降低轉輪的變動應力。但是，轉輪在水中的振動受附加質量的影響是復雜的，故采用實落差實揚程模型進行了試驗。
該模型試驗可以同時滿足葉柵干涉加振力頻率這樣的流體力學特性的相似條件，以及水中振動物體件。供本試驗用的模型轉輪是用與實物相同的材質制造的，實物與過流面非過流面都完全相似，所以具有與模型比成比例的水中固有振動頻率。
試驗轉速旦提高至與額定轉速相當實物轉速的模型比的程度，試驗落差揚程就變成了實落差實揚程。在這個狀態下，測定轉輪的變動應力，改變轉速，測定轉輪的水中固有振動頻率，發現轉輪的水中固有振動頻率降低至空氣中的5倍左右。
查明了轉輪的共振，如果要避開影響水力性能的過流面，則只要改變上冠下環的剛性及轉輪背壓室的間隙就可以實現。包括啟動停機甩負荷時的變動應力及反復出現的次數在內，實施了綜合性的疲勞強度評價，確定了轉輪的容許缺陷尺寸。
在實物轉輪的制造時，通過對上冠的背面進行機械加工等手段嚴格控制其厚度剛性，進而確保了失調率共振轉速額定轉速。
4.2主軸水密封裝置伴隨著超高揚程化，密封水壓和滑動速度也將增加，主軸水密封裝置的使用條件會變得惡劣。使用實物大小的試驗裝置，驗證了水密封性能，以及在惡劣運行條件下的可靠性與耐久性�；窘Y構雖然與以往大體相同，僅僅是加大了密封高度，采用了2段碳密封和1段樹脂密封。即使1段碳密封出現故障喪失了水密封的功能，僅靠另1段碳密封來封水也不會超過密封試驗證實，即使是出現像甩負荷等那樣大的軸振動狀態，密封環仍能跟蹤保持封水性能，即使是混入泥沙仍具有足夠的耐磨性能。同時確認了在揚水啟動和調相運行工況下，當轉輪室和尾水管的水被壓縮空氣壓下，使主軸水密封裝置的周圍充滿了空氣，即使是供給的冷卻水中斷了，只要冷卻水管內仍然殘留有水，密封就可以保持正常工作。
4.3活動導葉軸端水密封截止水壓及甩負荷時的水沖擊壓力直接作用在活動導葉軸端水密封上，并且每當改變出力時都發生滑動�；顒訉~下部軸端由于不帶操作機構，所以若是封閉了下部軸承的底部，就可以省略活動導葉下部軸密封。但是，在頂蓋側需要有可以承受強大向上推力并且可以滑動的支撐臺。最終決定，下部軸側也采用大氣開放式，與上部軸側樣設置水密封。水密封采用具有與英文字母口相似斷面形狀的合成橡膠材質種類及硬度段數的條件下，用實物大小的模型模擬實際軸的旋轉往復滑動，進行耐久性試驗，進而選擇了運行時間最長且無漏水密封損傷小的產品。
4.4頂蓋的水密封頂蓋與座環間的水密封也與上述樣，水壓直接作用其上，并且間隙隨啟動停機時的水壓變化而變化。間隙旦過大，圓橡膠就會被水壓從槽內擠出，在這種狀態下，水壓下降圓橡膠就會被擠傷。如果因啟動停機原因而反復出現這種狀況，在短時間內就會漏水。
應用同時可以模擬這樣的水密封間隙變動以及啟動停機時的水壓變化的試驗裝置進行了耐久性試驗。
改變圓橡膠的填充率材質槽的形狀等，根據有無漏水和橡膠的損傷狀況等因素選定了最佳方案。容許的最大間隙也是由該試驗確定的。通過變形解析求出因啟動停機所引發的間隙變化，根據間隙的變化算出容許的安裝初始間隙。因此，在工地通過機械加工的手段完全可以消除底環及座環的安裝變形。
4.5調相漏氣試驗超高揚程水泵水輪機的吸出高度超過100調相運行時的尾水管內的壓下空氣密度就會超過大氣的10倍以上。在壓下的空氣中運行的轉輪就會從被壓下混入水中的氣泡就會隨之出現在尾水管下并產生次回流，經過尾水管肘管逃逸到尾水渠中，從而形成壓下空氣的漏氣。旦漏氣超過了空壓機的容量，就無法實現長時間調相運行。這就是調相漏氣現象。
對于各種各樣的尾水管形狀，用氣液雙相流動解析計算水中的氣泡動向，并進行漏氣量的相對評價。
以與實際吸出高度相當的空氣壓力驅動轉輪，進行調相漏氣模型試驗，找出漏氣少的尾水管形狀。
工地試驗結果工地安裝調試后，進行有水試驗，試驗結果6.由6可知，盡管揚程容量都有很大提高，但其振動噪音水平都小于常規機組，這是應用最新技術進行了適當的流體設計與結構設計的結果。
在實落差實揚程模型試驗中獲得轉輪共振點為法已得到哈爾濱電機有限責任公司水電專家們的贊同。
責任編輯歐陽越4281失調率14.30，與此相對在實物頂蓋的振動加速度上可轉輪共振峰值的轉速與419rmill失調率16.2相當吻合。
主軸水密封裝置的漏水少，活動導葉頂蓋水密封性能良好。根據尾水管內壓下水面的上升時間測定的調相漏氣量接近來自主軸封水裝置的漏氣量，幾乎沒有來自尾水管的漏氣量，順利地進行了空轉入力不大且時間長的調相運行。
頂蓋內管路的振動也不大，所以認為管路的支撐結構及支撐位置是合適的。
結語在此，簡要地介紹了超高揚程水泵水輪機開發中些關鍵部件的流體設計結構設計，以及主要部套特殊運行技術。今后，日立公司將以性能的進步提高結構更趨于合理化各個部套的進步改善易于檢查與維修為目標，積極開展工作，同時不僅把在該開發中獲得的技術成果應用到水泵水輪機中，也應用到專用水輪機領域中。 |