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水 利 学 报

２０２３年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０３ － ０３２３ － １０

基于熵产理论的水泵水轮机反 Ｓ区水力损失机理分析

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阚 阚 １，２ ，杨皓程 ，郑 源 １，２ ，段慧玲 ，陈会向 ２，３
（１．河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 ２１１１００；２．河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００２４；
３．河海大学 农业科学与工程学院，江苏 南京 ２１１１００）

摘要：水泵水轮机在水轮机工况运行时易进入反 Ｓ不稳定区，影响机组的安全稳定运行。传统压差法在计算水力
损失时不能获得损失的具体分布和详细来源，因此水泵水轮机在反 Ｓ区水力损失机理仍有待深入研究。本文采用
雷诺时均方法对某原型抽蓄电站水泵水轮机在活动导叶开度分别为 １２°和 ３５°下的反 Ｓ区运行工况进行了数值模
拟，基于熵产理论对各个过流部件和不同类型的水力损失进行了定量分析，并结合流场分布情况进一步明确了水
力损失的分布特点和产生原因。结果表明，水泵水轮机进入反 Ｓ区会引起导叶段水力损失占总水力损失的比例逐
渐增大，而转轮段水力损失逐渐减小。在不同类型的能量损失中，湍流熵产占据主导，壁面熵产次之，直接熵产
最小。随着水泵水轮机进入深度反 Ｓ区，转轮区湍流熵产损失较大区域从转轮进口的叶片压力面转移到转轮出口
叶片吸力面。水泵水轮机位于反 Ｓ区时，转轮对水流做功输入能量，使无叶区总压大幅上升，活动导叶开度增大
会显著增大无叶区水流能量幅值。
关键词：水泵水轮机；数值模拟；熵产理论；反 Ｓ区；水力损失
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ７３４．２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０７００

１ 引言

目前，抽水蓄能技术成熟，且是目前最为有效的大规模储能方式。随着新能源的大规模并网和新
型电力系统的建设，加快发展抽水蓄能是保障能源和电力安全的必然选择与有效途径 ［１ － ２］ 。我国抽水
蓄能中长期发展规划（ ２０２１—２０３５年）和 “十四五” 可再生能源发展规划 ［３ － ４］ 均明确指出，要求提升可
再生能源存储能力，加快推进抽水蓄能电站建设。进一步提高抽水蓄能机组在复杂工况的运行稳定
性，对支撑新型电力系统的建设十分重要。然而，在抽蓄电站水泵水轮机的全特性曲线上，当机组转
速过大或水头较低，即单位转速较大时，机组易进入反 Ｓ区不稳定区，表现为某一单位转速对应多个
流量工况点，同时单位力矩及其特性曲线斜率变化显著，此时可能发生流动的剧烈波动，严重限制了
机组的能量特性和受力特性 ［５ － ７］ 。因此研究水泵水轮机反 Ｓ区的运行水力特性具有十分重要的意义。
国内外研究者对水泵水轮机反 Ｓ区水力特性已进行了诸多研究，取得了一定的成果 ［８ － １０］ 。Ｗａｎｇ
等 ［１１］ 通过研究发现水泵水轮机在制动工况和反水泵工况下的的压力脉动与叶片间的回流和周期性旋转
的无叶区涡流存在关联；朱伟等 ［１２］ 通过对反 Ｓ区不同工况点的内流特性分析研究发现，当机组运行在
小流量制动工况时，无叶区内的回流会堵塞通道，造成转轮不能在更高的转速下维持该小流量状态的
运行，表现为在特性曲线飞逸点附近开始发生 Ｓ形的弯折；徐连琛等 ［１３］ 通过研究发现机组在反 Ｓ区运
行时，无叶区的旋涡结构随单位流量的减少而逐渐增多，空载工况及小流量工况下，旋涡自导叶区向

收稿日期：２０２２ － ０９ － ０３；网络首发日期：２０２３ － ０２ － ２３
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２２１．１９０７．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２００９０３３，５２００６０５３）；江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０２００５０９，ＢＫ２０２００５０８）；中国博士后
科学基金项目（ ２０２２Ｔ１５０１８５，２０２２Ｍ７１１０２１，２０２１Ｍ６９０８７６）；江苏省博士后科研项目（２０２１Ｋ４９８Ｃ）
作者简介：阚阚（ １９９０ － ），博士，副教授，主要从事水力机械稳定性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｋａｎｋａｎ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：陈会向（１９８９ － ），博士，副教授，主要从事水力机械过渡过程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｈｕｉｘｉａｎｇ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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