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第 18 卷 第 4 期 中国水利水电科学研究院学报 Vol.18 No.4
2020 年 8 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research August，2020

文章编号：1672-3031（2020）04-0248-09

水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

徐洪泉，陆 力，王万鹏，赵立策
（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

摘要：抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机
无叶区压力脉动的幅值和频率特性，总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值
大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征，指出了无叶区压力脉动的主频为叶
片通过频率。其次，本文应用自由涡环量等于常数原理，通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机
工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析， 提出了水泵水轮机水轮机
工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。
关键词：抽水蓄能电站；水泵水轮机；无叶区；压力脉动；脱流；自由涡；叶片通过频率
中图分类号：TV734.1 文献标识码：A doi：10.13244/j.cnki.jiwhr.20180217

1 研究背景

近 20 年来，我国的抽水蓄能电站建设发展迅速，到“十二五”末总装机容量已突破 2000 万 kW。
“十三五”期间，我国还将大力发展抽水蓄能电站建设，规划到 2025 年抽水蓄能电站装机容量达到
9000 万 kW。
目前国内外均有部分抽水蓄能电站发生了比较严重的厂房振动问题 ［1-3］ ，严重影响到电站的安全
稳定运行。为解决这一困扰国内外水电科技界几十年的世界级难题，作者从水泵水轮机无叶区压力
脉动产生发展机理入手，研究总结了无叶区压力脉动的传播规律，总结提出了减轻抽水蓄能机组振
动及厂房振动的方法和措施。
现代的大型抽水蓄能电站多采用抽水与发电同机的混流可逆式水泵水轮机，既可以在抽水时作
为水泵运行，也可以在发电时作为水轮机运行。混流可逆式水泵水轮机和常规的离心泵不同，其设
置有导水机构；和常规的混流式水轮机也不同，其转轮按水泵设计，转速高，叶片少。在活动导叶
和转轮之间（常称为“无叶区”）常遇到比常规水轮机严重得多的压力脉动问题。该压力脉动幅值大，
频率高，是水泵水轮机面临的主要稳定性威胁。由于抽水蓄能电站厂房振动的频率多为该压力脉动
频率的倍频，许多研究者认为：抽水蓄能电站的厂房振动由水力因素引起，和无叶区压力脉动密切
相关 ［1-2，4-7］ 。
由于常规水电站遇到的大量稳定性问题多发生在尾水管，目前对发生在无叶区的压力脉动关注
较少，了解不够深入，不太清楚其来源及传播方式，对旋转的转轮叶片和静止的活动导叶之间的相
互干扰更知之甚少。尽管此问题在本世纪逐渐受到重视，国内外已进行了许多关于无叶区压力脉动
的原模型试验及数值模拟研究 ［4-12］ ，但对其幅频特性的研究还不够全面，对其发生机理和传播规律的
研究更不够深入，因此也难以为更深入的研究提供理论指导。本文拟通过对水泵水轮机无叶区压力
脉动幅值和频率特性的比较分析，探索其产生机理，为下一步深入探索无叶区压力脉动由叶片通过
频率到其倍频发展转化的传播规律奠定基础。

收稿日期：2018-11-13；网络首发时间：2020-07-30
网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5020.TV.20200729.1051.002.html
基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项（HM0145B45B432016）
作者简介：徐洪泉（1955-），教授级高级工程师，主要从事水力机械开发及稳定性研究。E-mail：xuhq@iwhr.com
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