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user: 4. 计算结果分析 4.1. 机组稳定发电运行情况下导叶水力矩特性 对机组在额定水头(最大、最小及事故水头)不同负荷(100%、75%及50%)下的性能进行了计算，由于分析得出的结论规律相似，这里主要分析最大水头，100%负荷工况下的流动特性。计算的出的导叶水力矩的值分布如下图3所示。 从图4中可以发现，导叶水力矩有周期性的规律。#2-#4为一个周期，#5-#7、#8-#9、#10-#12、#13-#15、 图3. 导叶水力矩值分布图 图4. 转轮及导叶区的压力分布云图 #16-#18、#19-#1分别为一个周期。导叶水力矩的这种周期性规律与转轮叶片和导叶间的相互位置有关。为进一步说明不同导叶的水力矩差别，做出其表面压力云图进行说明。 为使导叶有关闭趋势，导叶水力矩应为正值。若导叶头部正面的压力大于背面，导叶尾部正面的压力小于背面，则有利于造成关闭趋势。从图中可以看出，水流流过导叶后，在叶片头部附近形成高压区，该高压区影响了部分导叶(图中所示)尾部附近的压力分布，使得导叶尾部附近背面压力高于正面压力，使得导叶有关闭趋势，因此这部分导叶水力矩较大。 4.2. 机组甩荷工况下的活动导叶水力矩特性 本节根据模型电站某次甩100%负荷实验相关数据选取了初始活动导叶开度Ƴ为25.5˚，试验上游水位404.7 m，下游水位290.38 m的工况进行数值模拟。模拟过程中，0 s时刻机组进行甩负荷开始，活动导叶开始关闭，导叶关闭规律如表1所示。 4.2.1. 甩负荷活动导叶水力矩计算 计算过程每个时间步长监测一次各个导叶所受的合水力矩数值(200 Hz)，通过数值计算监测得到甩负荷过程20个活动导叶所受水力矩变化，由于甩负荷过程各导叶关闭所受水力矩变化规律相似，限于篇幅，选取部分导叶水力矩计算结果进行出图分析，如图5所示，可以看到整个甩负荷过程中导叶水力矩方向基本都与导叶关闭转向相反，变化规律基本一致，但都存在数值大幅度剧烈震荡变化现象，这是由于机组甩负荷过程中活动导叶关闭，导叶区域瞬态内流特性复杂不稳定，翼型两侧流动压差变化剧烈引起导叶合力矩大小方向以及作用点的瞬时变化。甩负荷发生时，水力矩变化增加，当机组转速接近飞逸转速时，水力矩出现瞬时最大值，通过对比可以发现，导叶3水力矩监测相对其他导叶最大瞬时数值较大，约为80 kN∙m，其余导瞬时叶水力矩最大值均在70 kN∙m左右，活动导叶相对于蜗壳的位置以及水流流 Table 1 Closing rule of movable guide van 甩前 开度 导叶关闭时间 拐点 开度 第一段 第二段 总时间 78.91% 4.8 s 33.0 s 37.8 s 59.96% 表1. 活动导叶关闭规律 图5. 活动导叶水力矩 态受蜗壳形状变化是造成各个导叶水力矩数值变化大小不完全一致的主要因素；进入制动过程后，水力矩震荡减小，伴随机组转速降低流量减小，各导叶水力矩基本维持相对稳定变化，幅值呈现减小趋势。为明确甩负荷过程中活动导叶水力矩数值变化趋势，将所监测到水力矩进行时均化处理，每隔20个步长数值进行时均化，所得到的水力矩时均变化曲线如图5所示，可以看到时均处理后的各导叶水力矩随时间变化规律较为明显并且平均值远小于瞬时最大值。 4.2.2. 机组甩负荷动态内流特性 1) 活动导叶区压力及流速变化 导叶在关闭过程中，随着机组转速与流量的变化导致导叶内外侧压力发生相应改变，通过图6可以看出甩负荷发生后，因导叶关闭过程中转动位置发生改变，导叶受水压力作用位置发生变化，伴随水流流速降低，水体的动能转化为压力能作用在导叶外侧区域，致使导叶外侧压力明显升高；流量转速以及导叶相对位置的瞬时变化导致活动导叶冲角增加，导致水流直接撞击翼型外侧，使得导叶外缘靠近进水边出压力增大。甩负荷进入制动区后，导叶受压升高，水力矩波动增加；至25 s后则因转速流量的降低， 图6. 活动导叶区压力云图 动能减小，导叶内侧区域压力相对增加，导致水力矩数值变化相对稳定，可以看到进入制动区后活动导叶压力呈现较大周期的波动变化。 2) 中心截面内流变化 通过观察甩负荷过程湍动能变化图7可以看出，甩负荷发生后，伴随转速升高，流态变化，湍流强度由叶片压力面中心流域处逐渐增大。而当机组达到飞逸转速时(6.51 s)，湍流强度并非到达极值，而是存在于进入反水轮机工况1 s左右时；可以看到叶片进水边处湍流强度相对较大，这是因为机组转速流量的降低以及活动导叶关闭过程中出水角的改变影响到转轮入流角的变化，形成脱流，并且转轮外援侧周向流速较大，导致叶片靠近进水区域流道湍动能较大，但随后伴随转速流量的持续下降，湍流强度逐渐降低。 由图8可见，甩负荷发生后，无叶区附近涡核分布略有减小；而通过涡核变化趋势可以看出，涡核发生于叶片吸力面靠近出水边一侧，因水泵水轮机转轮尺寸较大，叶片子流道相比于常规水轮机转轮较为狭长，因此伴随转速升高，即使处于水轮机工况，但依旧存在显著的水泵离心作用，涡核受离心作用影响逐渐向转轮进口扩散，但因流量转速的瞬时变化，水流流向抑制涡核向无叶区扩散，在转轮力矩趋于0的时刻(t = 6.51 s)，涡核在子流道内出现破碎，逐渐向叶片进口处发展分布，逐渐堵塞流道且现象随时间变化愈加明显，而涡核破碎过程伴随的能量变化这刚好与前面的转轮水力矩高强度区域(图5)相对应，由此可以断定甩负荷过程中转轮和活动导叶水力矩的不稳定特性是由转轮域至无叶区的大量涡核发展分布对应的特殊流动导致的；而旋涡伴随转轮也以一定得角速度转动，形成旋转失速现象，引发转轮内部 图7. 中心截面湍动能变化图 图8. 中心截面涡核分布图 流量分布极为不均匀，造成流道阻塞流量减小，转轮受力呈现非对称性，诱发转轮乃至整个机组水力激振，引发叶片及相关部件疲劳断裂情况发生，失速涡中心产生的低压区造成转轮出口的周期性横流流动对主轴也有一定冲击；且伴随涡核破灭耗散，对导叶内侧压力变化产生较大影响，可以看到图6导叶内侧压力梯度变化较大，致使导叶水力矩变化波动幅值较大。 3) 叶轮内流变化 通过转轮纵截面流线变化图9可以看出，甩负荷发生后，转轮出水边脱流现象明显，率先诱发涡旋流动，随后伴随转轮高速转动下的水泵效应漩涡逐渐向转轮子流道区域扩展耗散直至无叶区，漩涡的发展演变伴随着大量的能量转换，转轮叶片受力稳定性差，引发水力激振，这也是引起转轮以及导叶水力矩波动变化的原因之一。对于叶片，旋转失速出现后，流动在叶片背面存在分离，叶片正面受到水流的冲击，旋涡初生于叶片背面。于是在制动工况下，叶片将承受较大的交变应力，这对叶片强度及表面材料都提出了更高的要求。 通过对比图8可以看出，从转轮流道流线分布可以看出约从t = 10 s时刻开始叶片子流道涡核发展破碎延伸到转轮出口，造成活动导叶出口形成涡核占据无叶区，这种涡旋会压缩过流区间，使得水流从被迫从导叶出水侧以极高的流速冲击到叶片的压力面，这也是叶片压力面以及活动导叶内侧面区域形成局部高压的原因。随着时间演进，转轮叶片内的流线愈发紊乱，叶片背水面进口形成回流涡结构越来越大， 图9. 转轮截面流线变化图 整个涡的纵向尺寸占据了流道的1/2至2/3，使得主流被更多的挤向转轮上冠下环区域，导致转轮轴向力剧烈变化发生引发机组振动，而这些涡旋的阻塞流动是造成水泵水轮机反“S”区特性的一个重要原因。 而机组进入飞逸转速代表着甩负荷进入反“S”区，此时导叶相对开度较大，水流与转轮叶片进口间的较大冲角，而狭长的转轮叶片产生的较大离心力，使得在活动导叶和转轮进口的无叶片区域形成的旋水环，大大阻碍了进入转轮的流量；同时，导叶低压面少量涡形成的脱流，转轮叶片低压面并延伸到相邻叶片高压面的较大附着的涡，以及在叶片尾部脱流产生的二次涡，都使得流量减小。 受水流冲击作用，转轮叶片压力大小沿径向向内侧呈逐渐递减变化，伴随甩负荷开始，转轮叶片压力面变化集中在上冠叶片出水边处，如图10所示。这是由于出叶片水边脱流诱发漩涡产生集中在转轮出水侧区域导致涡旋分布影响叶片压力变化；而甩负荷过程冲角的改变导致叶片进水侧出现局部低压区，引发进水流道涡旋流的产生。 而甩负荷发生后，由于漩涡的产生发展产生流场的压力变化直接作用于叶片吸力面侧，导致叶片吸力面一侧压力变化较为显著。伴随涡旋的扩展，无叶区及导叶内部出现涡阻滞流动，局部高压向叶片内部发展范围扩大，这种叶片进口高压区会逐渐在所有叶片上出现，且逐渐向转轮内部延伸，使得转轮内部出现了明显的高压区与低压区分界。 通过图11可以看到，甩负荷发生后，低压区明显增多，且呈现周向不均匀分布，集中分布在靠近叶片出水侧；并且25 s前后出现压力分布整体骤降现象，这可能是因为甩负荷过程中机组转速流量的变化引起流场复杂变化导致水击现象的产生，由此产生了大幅度的压力变化导致整个机组流域压力骤降。 机组达到飞逸转速后进入制动区，此时活动导叶开度依旧较大，由于转速和流量的减少使得机组转轮进口冲角瞬时增大率大于活动导叶出水角的降低率，水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压，在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压，转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏，但伴随转速流量的降低以及活动导叶出水角的改变，高压区逐渐减小。 图10. 叶片压力面压力变化图 图11. 叶片吸力面压力变化图 而转轮进出口存在这些脱流在部分流动内逐步发展成面积较大的环流，造成流道拥塞。水流被迫流向其他流道，引起流量的重新分配，进而导致转轮的转动矩、转速的波动以及运行的不稳定。这点可以根据活动导叶流道内的流态变化得到进一步的解释，当活动导叶部分流道内出现涡流时，流道间的流量同样会重新分配，由此初步判断将导致活动导叶所受水力矩产生波动，进而引起导叶开度出现波动加剧转速的波动。