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水 利 学 报

２０２４年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０９ － １０９８ － １２

带分流叶片水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动特征

周廷鑫，俞晓东，张 健，徐 辉

（河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：为减轻水泵水轮机过渡过程中剧烈压力脉动对抽水蓄能电站安全产生的不利影响，需充分认识水泵水轮机
的压力脉动特征。本文对某带分流叶片水泵水轮机甩负荷过渡过程中的实测压力脉动数据开展深入研究。首先从
压力脉动的频域特性出发，提出了一种基于变分模态分解的时均压力和脉动压力提取方法。然后采用傅里叶变换
和短时傅里叶变换分析水泵水轮机稳定运行和甩负荷过程中蜗壳进口、无叶区、顶盖和尾水锥管进口的脉动压
力，揭示了带分流叶片水泵水轮机在稳定运行和甩负荷过渡过程中压力脉动的频率组成和时频变化特性的普遍规
律。研究表明，带分流叶片水泵水轮机无叶区压力脉动的主频由叶片通过频率及其半次谐波共同主导，且叶片通
过频率的半次谐波具有向上下游传播的特点。尾水锥管进口压力脉动频率主要由低频成分及叶片通过频率的半次
谐波构成。甩负荷过渡过程中，无叶区叶片通过频率及其谐波的频率会随着时间的变化出现增大和减小现象，且
变化规律与转轮转速的变化趋势一致。本文所提出的方法为压力脉动实测数据分析提供了一种新手段，为带分流叶
片水泵水轮机压力脉动的特征研究提供了参考与借鉴，对结构异常振动溯源和保障机组安全运行具有重要意义。
关键词：分流叶片水泵水轮机；过渡过程；压力脉动；信号处理
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０７８１
中图分类号：ＴＶ７４３
１ 研究背景

抽水蓄能作为行之有效的大规模储能方式，在全球范围内得到了广泛的开发和应用 ［１］ 。为推动
“双碳” 目标的早日实现，抽水蓄能在我国迎来了前所未有的发展契机 ［２］ 。随着越来越多高水头、大
容量抽水蓄能电站的投产运行，电站的安全性问题日益突出。开机困难、异常振动、抬机和扫膛等事
故时有发生 ［３］ 。水泵水轮机 Ｓ型特征 ［４］ 导致了相关暂态过程中的诸多不稳定性问题，如电网同步困
难、甩负荷过渡过程性能不稳定 ［５］ 。Ｚｕｏ等 ［６］ 详细探讨了高水头水泵水轮机无叶区的压力脉动，研究
指出，在高扬程水泵 水轮 机中，最有 害的 水力失稳 现 象 是 无 叶 空 间 中 叶 片 和 导 叶 的 动 静 相 互 作 用
（ Ｒｏｔｏｒ － ＳｔａｔｏｒＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ＲＳＩ）引起的剧烈压力脉动。Ｒｏｄｅ等 ［７］ 讨论了高水头水泵水轮机无叶空间 ＲＳＩ
的形成机理以及压力脉动和结构振动之间的关系，研究指出 ＲＳＩ的主导频率是叶片通过频率，其不仅
会造成水轮机的严重故障，还会引发厂房结构部件的剧烈振动。因此，揭示机组在运行过程中压力脉
动的频率组成和时频变化特性对保障电站的安全运行具有重大意义。
当前，关于水泵水轮机过渡过程压力脉动的研究方法大致可概括为三类：数值模拟 ［８ － ９］ 、模型试
验 ［１０］ 和真机实测数据分析 ［１１］ 。其中，实测压力数据分析不仅可以准确反映压力脉动的特征，而且能
够为数值模拟和模型试验提供参考。然而，由于实测压力数据的稀缺性，当前关于过渡过程实测压力
脉动数据分析研究较少。为准确揭示原型水泵水轮机的压力脉动特性，孙跃昆等 ［１２］ 研究了某原型水泵
水轮机开机过程中的无叶区压力脉动的特性。杨建东等 ［１３］ 分析了原型水泵水轮机在甩 ７５％和 ５０％负

收稿日期：２０２３ － １２ － １３；网络首发日期：２０２４ － ０７ － ２６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０７２５．０９５８．００２
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２１７９０６２，５１８３９００８）
作者简介：周廷鑫（ １９９６ － ），博士生，主要从事水电站过渡过程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｔｉｎｇｉｘｎ＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ
通信作者：俞晓东（１９８５ － ），教授，主要从事输水系统过渡过程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｕｘｉａｏｄｏｎｇ＿８５１＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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