摘要：本文主要是從水力振動(dòng)理論計(jì)算、水力脈動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)、真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和水力穩(wěn)定性非定常CFD計(jì)算等4方面對(duì)當(dāng)前研究進(jìn)展進(jìn)行了分析。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有研究成果的分析，指出了今后研究的方向。
　　關(guān)鍵詞：泵站；水力特性；穩(wěn)定性；進(jìn)展
　　
　　我國(guó)泵機(jī)組的臺(tái)數(shù)是世界之最，它的安全運(yùn)行和由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益影響很大。隨著南水北調(diào)跨流域調(diào)水工程和全國(guó)大中型泵站改造的實(shí)施，對(duì)大型泵站工程的長(zhǎng)時(shí)間可靠安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求將越來(lái)越高。本文分析了大型泵站水力穩(wěn)定性主要影響因素，從水力振動(dòng)理論計(jì)算、水力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)、真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和水力穩(wěn)定性非定常CFD計(jì)算等4方面進(jìn)行了綜述分析，指出了今后研究的方向。
　　1大型泵站穩(wěn)定性研究的重要性
　　基于下面4方面問(wèn)題，當(dāng)前大型泵站水力穩(wěn)定性研究顯得更為重要和迫切。
　　1．1近來(lái)大型泵站運(yùn)行水力穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越多，問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重
　　東深供水工程l6座泵站檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片斷裂現(xiàn)象，某泵站自建站以來(lái)機(jī)組水力振動(dòng)問(wèn)題一直未根本解決，國(guó)內(nèi)外泵站機(jī)組水力振動(dòng)引起其他部件破壞的事例也時(shí)有發(fā)生。
　　1．2泵站機(jī)組逐步趨向高速化、大型化，要求有更良好運(yùn)行的穩(wěn)定性
　　以南水北調(diào)工程為代表的在建調(diào)水工程，預(yù)示著我國(guó)泵站工程建設(shè)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，其顯著特點(diǎn)是機(jī)組尺寸不斷增大、轉(zhuǎn)速增加。隨著軸流泵站參數(shù)的不斷提高，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的未知因素也會(huì)相應(yīng)增多，因此設(shè)計(jì)中預(yù)防和解決泵站振動(dòng)的措施更加復(fù)雜和困難，有必要提前著手更深入的研究。
　　1．3水頭變幅大的軸流泵站水力穩(wěn)定性尚需深入研究
　　泵站在運(yùn)行時(shí)水頭變化對(duì)工況影響較大，在偏離設(shè)計(jì)工況較遠(yuǎn)時(shí)泵站運(yùn)行易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，在泵站的水力設(shè)計(jì)、選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。
　　1．4全國(guó)大型泵站改造中水力穩(wěn)定性研究至關(guān)重要
　　國(guó)家正在實(shí)施大中型泵站改造，泵站增容改造主要有兩種途徑：①提高泵站水力效率；②加大泵站流量。因進(jìn)出水流道中無(wú)法進(jìn)行改造，增加流量后其流道內(nèi)壓力脈動(dòng)值以及各機(jī)械部件的振動(dòng)值的增大在所難免。為此對(duì)泵站改造而言，首要問(wèn)題是確保其振動(dòng)幅度的增大應(yīng)在不影響正常安全運(yùn)行的范圍之內(nèi)，即要有預(yù)測(cè)改造后機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的可靠方法，來(lái)保證泵站增容改造目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。
　　
　　2影響大型泵站穩(wěn)定性的主要因素
　　眾所周知，效率、氣蝕和穩(wěn)定性是泵站的三個(gè)重要指標(biāo)。效率關(guān)系到能量轉(zhuǎn)換程度，氣蝕關(guān)系到泵的使用壽命，而穩(wěn)定性關(guān)系到泵站是否能夠安全運(yùn)行。研究表明，泵站的振動(dòng)是影響穩(wěn)定性的主要因素，而振動(dòng)主要有機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)和水力振動(dòng)三種類型，機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)一般是可以消除或減輕的，由于引起水力振動(dòng)的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，因此消除或減輕水力振動(dòng)就困難的多。特別是泵站偏工況運(yùn)行時(shí)，水力振動(dòng)的影響尤為明顯。正是由于水力振動(dòng)而限制了泵站的運(yùn)行工況，從而影響泵站效益的發(fā)揮，同時(shí)由于機(jī)組的長(zhǎng)期振動(dòng)，而導(dǎo)致機(jī)組部件的疲勞甚至遭到破壞，嚴(yán)重妨礙機(jī)組的安全運(yùn)行和效益。
　　研究表明水力機(jī)組內(nèi)部非定常流動(dòng)是產(chǎn)生水力振動(dòng)的主要內(nèi)在原因。泵站運(yùn)行時(shí)進(jìn)水流道內(nèi)渦帶、出水流道出流不均勻、轉(zhuǎn)輪內(nèi)脫流、水泵葉輪與導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)等水力現(xiàn)象是導(dǎo)致泵站水力不穩(wěn)定的主要因素。劉超等l_2]通過(guò)對(duì)泵段和泵裝置特性曲線進(jìn)行分析，討論了管路特性和泵裝置的相似問(wèn)題并提出了軸流泵站不穩(wěn)定工作區(qū)對(duì)機(jī)組水力啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性的影響。由于人們對(duì)泵站穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)比較晚，加之問(wèn)題本身復(fù)雜，難點(diǎn)多，牽涉到多個(gè)學(xué)科，需要復(fù)雜的計(jì)算工具和先進(jìn)的測(cè)試儀器，使得我們對(duì)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)沒有對(duì)效率和氣蝕現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)深刻，隨著泵站單機(jī)容量的提高，機(jī)組尺寸的增加，相對(duì)剛度的減弱，泵站穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出。
　　
　　3相關(guān)研究進(jìn)展
　　目前水力穩(wěn)定性研究手段主要有理論計(jì)算研究、模型實(shí)驗(yàn)研究、真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和非定常CFD分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，取得了一些可用于工程實(shí)踐的研究成果。
　　3．1理論計(jì)算
　　葉輪與流體的相互作用不僅會(huì)激發(fā)葉片的強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生疲勞斷裂、動(dòng)力失穩(wěn)等影響機(jī)組安全運(yùn)行的事件。基于有限元法的位移——壓力格式及Galerkin法對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片——流體組成的流固耦合系統(tǒng)進(jìn)行離散，建立了水力振動(dòng)控制方程，在此基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)輪及單個(gè)葉片的耦合模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)輪及葉片在水中的動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)葉片在流固耦合情況下的一些新的特性。采用流固耦合技術(shù)，求解流體與固體的耦合方程，對(duì)軸流式葉片進(jìn)行了振動(dòng)特性分析，分別計(jì)算了葉片在空氣中和水中的固有頻率；并比較了軸流式葉片在空氣中與水中固有頻率的變化，分析了葉片在水中的振型。由于泵站系統(tǒng)的復(fù)雜性，如何建立葉輪的振動(dòng)與整個(gè)系統(tǒng)水力穩(wěn)定性關(guān)系還有待深入。
　　3．2模型實(shí)驗(yàn)
　　模型實(shí)驗(yàn)研究是穩(wěn)定性研究的重要技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)水力效率、氣蝕系數(shù)以及水壓力脈動(dòng)規(guī)律的研究來(lái)提高模型水力性能及穩(wěn)定性。水力機(jī)組流道內(nèi)渦帶引起的壓力脈動(dòng)是影響穩(wěn)定性的重要方面，Rheingans最早通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，頻率為機(jī)組轉(zhuǎn)速的0．25～O．33的壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致了尾水管內(nèi)和水電站的振動(dòng)現(xiàn)象。Kubota在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到尾水管壓力脈動(dòng)的振幅與空化系數(shù)關(guān)系，指出尾水管壓力脈動(dòng)的振幅主要取決于運(yùn)行流量與設(shè)計(jì)流量的比值，當(dāng)該比值接近0．55時(shí)，出現(xiàn)最大振幅。大多數(shù)研究者認(rèn)為，由于受渦核運(yùn)動(dòng)的影響，使的水力機(jī)組受到頻率約為轉(zhuǎn)頻的0．25～O．33(甚至達(dá)0．5)的脈動(dòng)壓力作用，此外，脈動(dòng)壓力的振幅受運(yùn)行水頭和流量的制約。
　　3．3真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
　　由于引起水力振動(dòng)規(guī)律尚不十分清楚，模型和真機(jī)的某些水壓力脈動(dòng)關(guān)系也不能完全模擬及換算。因此，真機(jī)的水力振動(dòng)特性及減小水力脈動(dòng)的措施，必須在相應(yīng)真機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，弄清振動(dòng)部位并分析其振動(dòng)原因，解決真機(jī)振動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)還可以通過(guò)大量的真機(jī)試驗(yàn)，歸納總結(jié)出水力振動(dòng)的共性問(wèn)題，找出模型與真機(jī)水力脈動(dòng)的換算方法。ThierryJacob對(duì)140MW混流式水輪機(jī)大負(fù)荷區(qū)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析，著重進(jìn)行轉(zhuǎn)輪泄水錐、試驗(yàn)水頭和尾水隧洞的影響研究。通過(guò)對(duì)土爾其卡拉喬倫2號(hào)機(jī)真機(jī)試驗(yàn)，對(duì)混流式水輪機(jī)水力不平衡引起的自激振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行討論，提出消除振動(dòng)故障的對(duì)策。
　　3．4非定常CFD分析
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的發(fā)展，對(duì)于水力穩(wěn)定性研究重點(diǎn)從試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)為利用CFD技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。通過(guò)內(nèi)部流場(chǎng)的非定常數(shù)值解析，研究流道內(nèi)各種不穩(wěn)定因素引起的水力振動(dòng)和水壓力脈動(dòng)，如導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片尾部的卡門渦列、靜止葉柵和動(dòng)葉之間的靜動(dòng)翼干涉和渦帶等不穩(wěn)定因素對(duì)于機(jī)組穩(wěn)定性的影響l1“Wang應(yīng)用數(shù)學(xué)上的渦運(yùn)動(dòng)理論，建立了一種簡(jiǎn)單而可行的渦模型來(lái)預(yù)估壓力脈動(dòng)的問(wèn)題。Puprechtl1。應(yīng)用三維渦動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法計(jì)算了水電站尾水管在部分負(fù)荷下的壓力脈動(dòng)。HakanNilsson利用CFD技術(shù)對(duì)GAMM混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了空化等性能的研究，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，利用CFD方法對(duì)混流式水力機(jī)組進(jìn)行了三維非定常湍流計(jì)算，著重對(duì)水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，從而獲得了機(jī)組的穩(wěn)定性情況。Felixc利用CFX-TASCflow軟件的紊流模型對(duì)混流泵站整體進(jìn)行了計(jì)算，采用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的界面模型進(jìn)行計(jì)算和比較分析。
　　
　　4研究展望
　　從目前研究進(jìn)展來(lái)看，大型泵站水力穩(wěn)定性研究相對(duì)于水電站來(lái)是說(shuō)還顯得很薄弱，還尚未形成一套完整的研究體系和方向。但基于目前國(guó)家重大工程建設(shè)的需要，筆者認(rèn)為應(yīng)通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法開展大型泵站的水力穩(wěn)定性研究，并在以下方面展開深入研究：
　　①開展大型泵站(尤其是軸流式)水力穩(wěn)定性與工況和氣蝕的基本關(guān)系研究，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)泵站內(nèi)部影響水力穩(wěn)定性的水力因素進(jìn)行深入研究。
　　②開展大型軸流泵站水力不穩(wěn)定區(qū)機(jī)理及控制研究。
　　③在水力機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)全流道下的內(nèi)部渦流形式和水力脈動(dòng)模式進(jìn)行研究，探索消除泵站水力脈動(dòng)和振動(dòng)的有效途徑。