摘要：本文主要是從水力振動理論計算、水力脈動模型實驗、真機現場試驗和水力穩定性非定常CFD計算等4方面對當前研究進展進行了分析。根據對現有研究成果的分析，指出了今后研究的方向。
　　關鍵詞：泵站；水力特性；穩定性；進展
　　
　　我國泵機組的臺數是世界之最，它的安全運行和由此產生的經濟效益和社會效益影響很大。隨著南水北調跨流域調水工程和全國大中型泵站改造的實施，對大型泵站工程的長時間可靠安全穩定運行的要求將越來越高。本文分析了大型泵站水力穩定性主要影響因素，從水力振動理論計算、水力脈動實驗、真機現場試驗和水力穩定性非定常CFD計算等4方面進行了綜述分析，指出了今后研究的方向。
　　1大型泵站穩定性研究的重要性
　　基于下面4方面問題，當前大型泵站水力穩定性研究顯得更為重要和迫切。
　　1．1近來大型泵站運行水力穩定性問題越來越多，問題越來越嚴重
　　東深供水工程l6座泵站檢修時發現葉片斷裂現象，某泵站自建站以來機組水力振動問題一直未根本解決，國內外泵站機組水力振動引起其他部件破壞的事例也時有發生。
　　1．2泵站機組逐步趨向高速化、大型化，要求有更良好運行的穩定性
　　以南水北調工程為代表的在建調水工程，預示著我國泵站工程建設的發展進入一個新的時代，其顯著特點是機組尺寸不斷增大、轉速增加。隨著軸流泵站參數的不斷提高，影響機組安全穩定運行的未知因素也會相應增多，因此設計中預防和解決泵站振動的措施更加復雜和困難，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定性尚需深入研究
　　泵站在運行時水頭變化對工況影響較大，在偏離設計工況較遠時泵站運行易發生不穩定現象，因此，在泵站的水力設計、選型及結構設計時須對其運行穩定性進行深入研究。
　　1．4全國大型泵站改造中水力穩定性研究至關重要
　　國家正在實施大中型泵站改造，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。因進出水流道中無法進行改造，增加流量后其流道內壓力脈動值以及各機械部件的振動值的增大在所難免。為此對泵站改造而言，首要問題是確保其振動幅度的增大應在不影響正常安全運行的范圍之內，即要有預測改造后機組運行穩定性的可靠方法，來保證泵站增容改造目標的順利實現。
　　
　　2影響大型泵站穩定性的主要因素
　　眾所周知，效率、氣蝕和穩定性是泵站的三個重要指標。效率關系到能量轉換程度，氣蝕關系到泵的使用壽命，而穩定性關系到泵站是否能夠安全運行。研究表明，泵站的振動是影響穩定性的主要因素，而振動主要有機械振動、電磁振動和水力振動三種類型，機械振動和電磁振動一般是可以消除或減輕的，由于引起水力振動的原因錯綜復雜，因此消除或減輕水力振動就困難的多。特別是泵站偏工況運行時，水力振動的影響尤為明顯。正是由于水力振動而限制了泵站的運行工況，從而影響泵站效益的發揮，同時由于機組的長期振動，而導致機組部件的疲勞甚至遭到破壞，嚴重妨礙機組的安全運行和效益。
　　研究表明水力機組內部非定常流動是產生水力振動的主要內在原因。泵站運行時進水流道內渦帶、出水流道出流不均勻、轉輪內脫流、水泵葉輪與導葉動靜干涉產生的壓力脈動等水力現象是導致泵站水力不穩定的主要因素。劉超等l_2]通過對泵段和泵裝置特性曲線進行分析，討論了管路特性和泵裝置的相似問題并提出了軸流泵站不穩定工作區對機組水力啟動和正常運行時穩定性的影響。由于人們對泵站穩定性的認識比較晚，加之問題本身復雜，難點多，牽涉到多個學科，需要復雜的計算工具和先進的測試儀器，使得我們對穩定性的認識遠沒有對效率和氣蝕現象的認識深刻，隨著泵站單機容量的提高，機組尺寸的增加，相對剛度的減弱，泵站穩定性問題日益突出。
　　
　　3相關研究進展
　　目前水力穩定性研究手段主要有理論計算研究、模型實驗研究、真機現場試驗和非定常CFD分析，國內外學者開展了大量的研究工作，取得了一些可用于工程實踐的研究成果。
　　3．1理論計算
　　葉輪與流體的相互作用不僅會激發葉片的強烈振動，嚴重時還會導致葉片產生疲勞斷裂、動力失穩等影響機組安全運行的事件。基于有限元法的位移——壓力格式及Galerkin法對轉輪葉片——流體組成的流固耦合系統進行離散，建立了水力振動控制方程，在此基礎上對轉輪及單個葉片的耦合模態進行了計算，詳細分析了轉輪及葉片在水中的動力特性，發現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，求解流體與固體的耦合方程，對軸流式葉片進行了振動特性分析，分別計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。由于泵站系統的復雜性，如何建立葉輪的振動與整個系統水力穩定性關系還有待深入。
　　3．2模型實驗
　　模型實驗研究是穩定性研究的重要技術手段，通過對水力效率、氣蝕系數以及水壓力脈動規律的研究來提高模型水力性能及穩定性。水力機組流道內渦帶引起的壓力脈動是影響穩定性的重要方面，Rheingans最早通過模型實驗得出結論，頻率為機組轉速的0．25～O．33的壓力脈動，導致了尾水管內和水電站的振動現象。Kubota在實驗室觀測到尾水管壓力脈動的振幅與空化系數關系，指出尾水管壓力脈動的振幅主要取決于運行流量與設計流量的比值，當該比值接近0．55時，出現最大振幅。大多數研究者認為，由于受渦核運動的影響，使的水力機組受到頻率約為轉頻的0．25～O．33(甚至達0．5)的脈動壓力作用，此外，脈動壓力的振幅受運行水頭和流量的制約。
　　3．3真機現場試驗
　　由于引起水力振動規律尚不十分清楚，模型和真機的某些水壓力脈動關系也不能完全模擬及換算。因此，真機的水力振動特性及減小水力脈動的措施，必須在相應真機上進行現場試驗測試，弄清振動部位并分析其振動原因，解決真機振動問題。同時還可以通過大量的真機試驗，歸納總結出水力振動的共性問題，找出模型與真機水力脈動的換算方法。ThierryJacob對140MW混流式水輪機大負荷區的壓力脈動進行分析，著重進行轉輪泄水錐、試驗水頭和尾水隧洞的影響研究。通過對土爾其卡拉喬倫2號機真機試驗，對混流式水輪機水力不平衡引起的自激振動問題進行討論，提出消除振動故障的對策。
　　3．4非定常CFD分析
　　隨著計算機技術和流體動力學(CFD)的發展，對于水力穩定性研究重點從試驗研究轉為利用CFD技術對其進行數值模擬和分析。通過內部流場的非定常數值解析，研究流道內各種不穩定因素引起的水力振動和水壓力脈動，如導葉和轉輪葉片尾部的卡門渦列、靜止葉柵和動葉之間的靜動翼干涉和渦帶等不穩定因素對于機組穩定性的影響l1“Wang應用數學上的渦運動理論，建立了一種簡單而可行的渦模型來預估壓力脈動的問題。Puprechtl1。應用三維渦動力學的計算方法計算了水電站尾水管在部分負荷下的壓力脈動。HakanNilsson利用CFD技術對GAMM混流式水輪機轉輪進行了空化等性能的研究，并與實驗結果比較，利用CFD方法對混流式水力機組進行了三維非定常湍流計算，著重對水輪機的壓力脈動進行了預測，從而獲得了機組的穩定性情況。Felixc利用CFX-TASCflow軟件的紊流模型對混流泵站整體進行了計算，采用穩態和非穩態的界面模型進行計算和比較分析。
　　
　　4研究展望
　　從目前研究進展來看，大型泵站水力穩定性研究相對于水電站來是說還顯得很薄弱，還尚未形成一套完整的研究體系和方向。但基于目前國家重大工程建設的需要，筆者認為應通過理論分析、數值模擬和實驗驗證相結合的方法開展大型泵站的水力穩定性研究，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)水力穩定性與工況和氣蝕的基本關系研究，在實驗驗證的基礎上，對泵站內部影響水力穩定性的水力因素進行深入研究。
　　②開展大型軸流泵站水力不穩定區機理及控制研究。
　　③在水力機理研究的基礎上，對全流道下的內部渦流形式和水力脈動模式進行研究，探索消除泵站水力脈動和振動的有效途徑。