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水 利 学 报

２０２２年 １１月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １１期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１１ － １３６９ － １４

高水头混流式水轮机减负荷瞬态流动特性研究

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孙龙刚 ，徐卓飞 ，郭鹏程 １，２ ，郑小波 １，２
（１．西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 ７１００４８；
２．西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 ７１００４８）

摘要：为了平衡和补偿间歇性可再生能源不定时并网对电网的不利冲击，水轮机不得不频繁地经历减负荷瞬态工
况转换过程，从而诱发水轮机内部不稳定的压力脉动及涡流结构。基于多面体网格及动网格技术，开展了高水头
混流式水轮机导叶关闭减负荷过程水轮机特征参数响应、压力脉动及涡流演化特性的数值模拟工作。研究发现，
采用压力边界条件获得的水轮机水头与试验结果吻合较好，流量结果可信度高。负荷变化过程中，无叶区压力脉
动相对变化趋势与导叶运动规律一致，且幅值变化不大。导叶开始及停止运动，引起尾水管内的压力信号发生突
变，并逐渐形成低频周期性压力脉动。涡带运动诱发的不稳定压力脉动，是转轮轴向水推力形成的主要原因。在
导叶闭合过程中，强度较小的轴对称涡带首先沿轴向和径向拉伸，随后沿轴向收缩。导叶停止运动进入部分负荷
工况，直涡结构进一步收缩，演变为细长状双螺旋结构，最后双螺旋涡结构合并成强度较高的单一螺旋状涡带。
此外，水轮机负荷的减小使尾水管内出现回流，漩涡运动等不稳定现象。
关键词：混流式水轮机；减负荷；压力脉动；轴向力；尾水管涡带
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ７３４．２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０３９０

１ 研究背景

水电由于具有快速高效的启停响应，因而被用来调节电网容量及频率的动态平衡。近年来清洁能
源在电网中占比持续提高，以风能和太阳能为代表的清洁能源的不定时并网对电网造成剧烈的不稳定
冲击，此时水电机组必然经历快速且频繁的工况转换如减负荷过程以平衡电网参数 ［１ － ２］ 。水轮机运行
模式的 转 变，通 常 伴 随 着 回 流、流 动 分 离、空 化、尾 水 管 涡 带、叶 道 涡、卡 门 涡 等 不 稳 定 流 动 现
象 ［３ － ６］ ，从而在机组内部诱发具有繁杂幅频特征的压力脉动。高水头水轮机由于所受动态液体力更大，
且水轮机减负荷过程中转轮对来流的不适应性增强，机组将承受更加复杂的不平衡作用力，由此产生
的交变应力载荷会进一步加剧机组关键部件的疲劳破坏和磨损，缩短机组寿命，降低机组水力性能，
从而影响电站的安全稳定运行 ［７ － ９］ 。因此，开展减负荷过程中高水头水轮机动态响应研究，对进一步
促进水电与其他清洁能源的多能互补具有重要的现实意义。
模型试验与数值模拟是明确工况转换过程中水轮机内部不稳定流动特性及其诱发水力振动的重要
手段。Ｔｒｉｖｅｄｉ等 ［１０］ 试验研究了变转速工况下功率急速上升和下降过程中高水头混流式水轮机内部的
压力脉动响应，发现动静干涉频率对应的压力脉动幅值在负荷变化期间相对较小，而在瞬态过程结束
时提高了 ３０倍。此外，快速启停策略下水轮机转轮叶片最大压力脉动幅值是缓慢启停策略幅值的 １．５
倍 ［１１］ 。周勤等 ［１２］ 通过数值方法研究水泵水轮机，发现甩负荷过程中转轮进口回流是不稳定压力脉动

收稿日期：２０２２ － ０５ － １８；网络首发日期：２０２２ － １０ － １９
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２１０１８．２２００．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１８３９０１０，５２１０９１０９）；陕西省自然科学基础研究计划（２０２１ＪＭ－ ３３４）；陕西高校青年创新团队
（ ２０２０ － ２９）
作者简介：孙龙刚（ １９８８ － ），博士后，主要从事水力机械流体动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｕｎｌｇ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：郭鹏程（１９７５ － ），教授，主要从事水力机械流体动力学与优化设计研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｇｕｏｙｉｃｈｅｎｇ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

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