国产抽水蓄能机组水泵—水轮机选型中若干问题探讨高道扬天津市天发重型水电设备制造有限公司摘要：本文着重分析了可逆式水泵—水轮机模型转轮及抽水蓄能电站水泵—水轮机主要技术参数的特点，并在此基础上提出根据抽水蓄能电站水泵—水轮机的技术要求初步筛选水泵—水轮机模型转轮及水泵—水轮机方案的方法。
随着我国社会主义建设事业的发展，特别是电力工业的飞速发展，抽水蓄能电站的建设高潮已经到来，在国家有关政策的坚强支持下，抽水蓄能机组国产化、本土化的工作业已全面展开。
因此如何根据可逆式水泵—水轮机模型转轮的主要技术特点并在抽水蓄能电站对水泵—水轮机技术要求的基础上优选水泵—水轮机模型转轮及水泵—水轮机方案已成为众多水泵—水轮机选型工作者的首要工作，作者根据多年工作经验对选型工作中的若干问题作一初步探讨。
1 水泵—水轮机模型转轮主要技术参数特点叶片式水力机械具有可逆性，即它既可以做水轮机运行也可以做水泵运行，但是由于中、高比速的水轮机进口角β1T较大，当它反向旋转做水泵工况运行时，由于出口角太大，导致水流的不稳定，在H-Q曲线上出现多处大驼峰并且泵工况的效率比正常水轮机工况大幅下降，因而中、高比速水轮机显然不适合作为可逆式水泵——水轮机转轮的研究基础（70年代初北京密云电站曾用HL211-LJ-225水轮机做反向旋转的泵工况现场实验未能取得满意效果）。
理论分析和实验证明具有较长叶片和缓慢扩散流道的离心泵叶轮，其泵的叶片出口水流角β2P较小，出口相对流速W2P和绝对流速V2P都较小，因而水流进入涡壳后水力损失较小，当离心泵反转做水轮机运行时进口相对流速W1T也比较小，符合常规水轮机要求，因而离心泵叶轮在水泵工况和水轮机工况都有较好的性能，现代可逆式水泵—水轮机转轮就是以离心泵叶轮为基础逐步发展起来的。
1.1水泵—水轮机模型转轮与常规水轮机模型转轮相比具有以下特点：由于混流式水轮机的β1T较大，其（V1u/U1）T约为0.9，而离心泵的β2P较小，（V2u/U2）P约为0.6，由此可以推算出在同样的水头和转速条件下，可逆式水泵—水轮机的转轮直径约为常规水轮机转轮直径的 1.4倍，即：D P/D T=1.4。
在同一额定水头下，水泵—水轮机与水轮机模型转轮比转速n s(m kw)相近，但单位转速为水轮机的1.25～1.3倍，而单位流量为水轮机的0.6～0.65倍。
1.2水泵—水轮机模型转轮的水泵工况与水轮机工况相比，在通常条件下，由于高压边速度三角形既不相等亦不相似（泵工况出口因为水流的偏转出口水流角β2p比安放角βd小一些，而水轮机工况进口在无撞击的条件下，进口角βIT与βd相等），因而经实验研究及理论分析证明两种工况具有以下特点：1.2.1 在最优工况点，水泵工况的单位转速是水轮机工况的单位转速 1.10～1.18倍，即n10P/n10T=1.10～1.18（理论分析为1.12～1.16）。
1391.2.2 在最优工况点，水泵工况的单位流量是水轮机工况单位流量的0.87～0.95倍，即Q10P/Q10T=0.87～0.95（理论分析为0.95～0.98）。
1.2.3 可逆式水泵—水轮机，其水轮机工况的出力限制线距离最高效率点较远（和高水头低比速水轮机转轮相似），因而其运行工况点通常均在出力限制线之内，其限制工况点应取决于两种工况的能量平衡、水量平衡及兼顾水轮机工况的效率而不取决于5%出力限制线。
1.2.4 可逆式水泵—水轮机的吸出高度取决于水泵工况，一般情况下水泵工况的汽蚀要求能满足时则水轮机工况亦能得到满足。
1.2.5 水泵—水轮机转轮飞逸转速与额定转速之比n p/n r=1.3～1.5，而各种比速范围的水轮机n p/n r=1.7～2.0。
1.2.6 在水泵—水轮机采用单转速的情况下，为了优化泵工况运行范围（即泵工况在避开驼峰的高效率、低汽蚀区运行），水轮机工况通常只能处于最优效率点以上的高单位转速区，而不能包括最优效率点。
以下对上述项1.2.1至项1.2.6的特点进行简单的说明：项1.2.1及1.2.2：我们看到理论分析的单位转速值与实验值比较接近，而单位流量值相差较多，这是因为转轮的线速度和转轮所承受水头有直接关系，因而理论分析值和实验值比较接近，而转轮过流量和叶片设计中很多因素有关，故理论分析值误差较大。
项1.2.3：水泵—水轮机转轮由于叶片径向部分比较长且尾水管损失所占水力损失比例较小，因而效率圈在大流量区收缩得较慢，这使得出力限制线上Q1*距离最优点Q10’较远（H max=400m的叶片较长高水头、低比速水轮机Q1*/ Q10`～1.55，而H max=50m叶片较短的低水头、高比速水轮机Q1*/ Q10`～1.15）。
项1.2.4：水泵工况进口撞击和低压区都发生在叶片进口，而水轮机工况撞击发生在进口边上，低压区则发生在出口附近，因而水泵工况叶片进口处汽蚀比较严重。
项1.2.5：水泵—水轮机转轮叶片部分较长，在飞逸时由于离心力所形成的撞击较大，因而飞逸转速与额定转速的比值较小。
项1.2.6：①如前所述，由于水泵—水轮机转轮的叶片径向部分比较长且水轮机工况是在收缩流道内流动，而水泵工况是在扩散的流道内流动，理论分析和实验均已证明，两种工况最优点的单位转速存在以下关系：n10P/n10T=1.12～1.14假定泵工况最优点水头为H po，水轮机工况最优点水头为H To，并以最小值1.12（对H maxT 逼近H OT的最有利值）来分析，则有：n10P/n10T=(nD/H oP0.5)/( nD/H oT0.5)=1.12，H oT/H oP=1.122=1.254如果假定H op=100m，则H oT=125.4m②理论分析和统计资料表明：如果H maxP/H minT=1.2～1.4，则水泵—水轮机可以采用单转速，若我们以最大值1.4（对H maxT逼近H OT的最有利值）来分析（为了简化分析暂不计水力损失）：在水泵—水轮机选型中通常将水泵工况的最优扬程H0p置于最大扬程H max和最小扬程H min中间，因此当H0p=100m时，则H max=117m，H min=83m（117/83=1.4,117-100=17,100-83=17），由此可知，水轮机的整个运行水头范围（117m～83m）均在水轮机的最优水头H oT=125.4m以下，而不能包括最优水头H oT=125.4m，即只能在最优点以上的高单位转速区运行。
③如果考虑水头损失则泵的扬程进一步增加，水轮机水头进一步下降，这样水轮机的最大水头H maxT与最优水头H oT的差距将进一步加大，此外如果n10P/n10T=1.14（H op=100m，140H oT=1.142×100=130m）或H maxP/H minT=1.2（H max=110m，H po=100m, H min=90m）,上述差距也将进一步加大。
由上述分析可知：在水泵——水轮机选型中，由于考虑到水泵工况要有一个好的运行范围，在单转速的情况下，水轮机工况只能在最优单位转速以上的高单位转速区运行，优秀的模型转轮也只能使H maxT尽可能的接近H OT，而不可能使H maxT≤H OT，即H maxT对应的单位转速n11(min)只能大于最优单位转速n10T，当然，如果牺牲泵的优良特性（泵在小的开度、低的效率、大的汽蚀系数工况下运行）或采用双转速（水轮机工况采用低转速），则可能有H maxT≤H OT。
但前者在选型上不可取，后者通常只存在H maxP/H minT＞1.4的条件下才采用。
以上的分析可用简单的图形对比直观的表现出来：T工况P工况T工况P工况H oT H oT=125mH max=117m H max=117m H max=(117-ΔH max=(117+ΔH)mH op H op=100m H op=(100-ΔH) m H op=(100+ΔH)mH min=83m H min=83m H min=(83-ΔH min=(83+ΔH)m图1：假定水力损失为零图2：假定水力损失为ΔH2 抽水蓄能电站水泵—水轮机主要技术参特点抽水蓄能电站由于容量、水头、在系统中的作用、地质等情况的不同，其对水泵—水轮机参数要求也不尽相同。
但从众多的抽水蓄能电站的实际情况来看，其要求通常有共同点。
2.1在满足挖深要求的条件下，水泵工况、水轮机工况均应有较高的比转速，对泵工况，其比转速以n q(m m3/s)计，对水轮机工况其比转速以n s(m kw)计，有了较高的比转速，在同一容量下水泵—水轮机将有较小的直径，发电—电动机将有较高的转速，从而降低了机组造价。
2.2水轮机工况与水泵工况均有高的效率，在单转速的条件下首先应保证水泵在高效率区运行，而相应的水轮机高单位转速区也应有较高的效率，且水轮机工况的最高水头H maxT应尽量接近最优效率点水头H oT ，以使水轮机工况尽可能处在高效率区。
2.3水泵工况，水轮机工况均应稳定，水泵工况应避开驼峰区，水轮机工况应考虑“S”区的影响。
2.4发电—电动机的容量在满足水泵工况对容量要求的条件下，应该尽可能使两种工况的容量（KVA）平衡，以便降低发电—电动机造价。
2.5根据电网的要求，通常在一天内水泵工况运行时间多于水轮机工况运行时间，这就要求在选型计算时，必须考虑流量平衡。
3 模型转轮的分析、比较及水泵—水轮机方案的筛选当抽水蓄能电站对机组的技术要求确定后，如何选定一个优秀的模型转轮来满足要求，以及在众多优秀的模型转轮方案中进行分析、比较并进一步筛选，已成为各制造厂及设计院水泵—水轮机选型工作者的最关键任务。
模型转轮的优劣不是绝对的，它只有针对具体机组的技术要求并通过选型计算后，才能进行量化的对比，从而进行优选。
在此之前应具备下述最基本资料：141①模型转轮的水轮机工况山形图，水泵工况H-Q，η-Q、б-Q曲线，四象限特性曲线。
②机组参数：水轮机工况H max、H r、H min，水轮机额定出力（kw），水轮机最大出力（kw），水泵工况H max、H r、H min，水泵工况最大出力（kw），下游尾水位曲线或允许吸出度（通常对应最大扬程或最低扬程），水轮机工况效率加权因子，水泵工况效率加权因子，每台机水轮机工况运行时间及水泵工况运行时间比，有了以上的基本技术数据后可以在正式计算方案之前，用以下办法对模型转轮进行初步筛选：3.1根据泵工况的平均扬程 H avp=(H maxP+H mkn P)/2 ，选定一个较高比转速n q模型转轮，n q=n Q0.5 /H avp3/4(m·m3/s),如果用公式n q=K/H avp 0.5，根据世界各著名公司的最新统计:K应为500～700(低扬程用小值，高扬程用大值)，如果泵的比转速以（m kw）表示则n q（m·m3/s）～n sp=3.12·nQ0.5/ H avp3/4（m·kw）,用公式n sp= K/H auvp0.5，则K应为1569～2191。