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水 利 学 报

２０２４年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０３ － ０３４４ － １２

水泵水轮机 Ｓ特性区能量损失及流动特性研究

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王李科 ，姚 亮 ，冯建军 １，２ ，朱国俊 １，２ ，卢金玲 １，２ ，阮 辉 ３
（１．西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 ７１００４８；
２．西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 ７１００４８；３．西安航空学院 液压技术研究院，陕西 西安 ７１００７７）

摘要：为了调节电网的稳定性，抽水蓄能电站需要频繁启停和变换工况运行，导致水泵水轮机容易进入 Ｓ特性
区，机组振动增加，并网失败。本文以模型水泵水轮机为研究对象，采用熵产理论详细分析了 Ｓ特性区不同工况
下的能量损失规律，明确了熵产率分布与内部流动结构的关系。结果表明：Ｓ特性区内近飞逸工况总熵产最大，
约为设计工况的 ５．１倍，脉动熵产占据的比例接近 ８０％，随着流量的减小，转轮熵产占比逐渐降低，活动导叶和
尾水管的熵产占比增加。小流量工况转轮进口靠近下环位置首先出现了明显的漩涡，导致了活动导叶出口和转轮
进口的高熵产区，随着流量进一步减小，漩涡逐渐向上冠转移，并且切向速度增大，在转轮进口形成挡水环，阻
碍水流进入转轮，在无叶区内出现了环状分布的高熵产区。反水泵工况，水流在低压边与逆时针旋转的叶片撞
击，导致水流很难进入叶片内部，形成了大尺度的回流涡结构；双列叶栅内充满大量涡结构，导致活动导叶吸力
面的熵产率增大，并且向固定导叶传播。
关键词：水泵水轮机；Ｓ特性；熵产理论；回流涡
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类
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图
分
Ｖ
：
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号
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中
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０６６７
１ 研究背景
抽水蓄能是目前技术成熟、经济性优、具备大规模开发条件的储能方式，通过电能与势能相互转
化，实现电能的储存和管理，是电力系统绿色低碳清洁灵活的调节电源。水泵水轮机作为抽水蓄能电
站核心的能量转换设备，其运行稳定性对抽水蓄能电站乃至整个电网的稳定运行至关重要 ［１ － ２］ 。
水泵水轮机比转速较小，等开度线在水轮机工况空载开度区会发生 Ｓ
形弯折现象 ［３］ ，如图 １所示阴影区域，在此区域内，一个单位转速有可能
同时对应两个甚至三个单位流量，而此时流量甚至会出现负值。水泵水轮
机启动并网时，容易进入 Ｓ特性区，引起水力矩的震荡，造成机组的振
动，严重的会导致并网失败 ［４ － ６］ 。
Ｓ特性区的形成与不稳定流动紧密相关。Ｃａｖａｚｚｉｎｉ等 ［７］ 采用数值模拟
研究了水泵水轮机 Ｓ区的不稳定现象，捕捉到了旋转失速现象的初生到发
展整个过程，指出不稳定现象不是造成 Ｓ特性的充分条件，只有当旋转失 图 １ 水泵水轮机 Ｓ特性
速充分发展才会造成 Ｓ特性的产生。Ｚａｎｅｔｔｉ等 ［８］ 发现活动导叶和转轮的动
静干涉是导致涡结构非定常演化的重要原因，转轮进口攻角的非均匀分布导致了叶片通道涡的形成，
并且会阻塞叶轮流道。李君等 ［９］ 认为流道间的动态漩涡、无叶区的高速回流环等都是引起水泵水轮机

收稿日期：２０２３ － １０ － ２６；网络首发日期：２０２４ － ０３ － ２１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０３１９．１５４８．００６．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２３０９１１８，５２０７９１０８，５２２０６０５４）；陕西省自然科学基金项目（２０２３ － ＪＣ － ＱＮ － ０４４６，２０２１ＪＭ－ ３２８）；
陕西省博士后基金项目（ ２０２３ＢＳＨＥＤＺＺ２５６，２０２３ＢＳＨＥＤＺＺ２５７）；陕西省教育厅自然专项（２３ＪＫ０５６６）
作者简介：王李科（１９９１ － ），讲师，主要从事流体机械内部流动理论分析研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ａｌｉｋｅｗａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ
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