泵轮机零流量点导叶开度差异下的复杂水力激励与结构响应机理研究

　　针对泵轮机在"S"特性区零流量点运行时的稳定性难题，研究人员通过4°、9°、12°导叶开度的数值模拟，结合变分模态分解(VMD)技术，揭示了小开度工况下导叶表面涡流与应力集中现象，为泵轮机状态监测与故障诊断提供了新视角。该研究由国网总部科技项目(No. 5400-202324196A-1-1-ZN)支持，发表于《Journal of Energy Storage》。

　　

在电力系统调峰填谷中扮演关键角色的抽水蓄能电站，其核心设备泵轮机却长期受困于"S"特性区运行不稳定的顽疾。当机组在零流量点附近运行时，导叶表面会产生复杂的涡流分离现象，这种水力不稳定不仅导致机组并网困难，更可能引发结构疲劳损伤。尤其令人头疼的是，不同导叶开度下这种不稳定性的演化规律始终缺乏系统研究，就像黑暗中摸索的盲人，工程师们难以精准预测机组的"发病"临界点。

为揭开这一谜团，国网研究人员对某立轴单级混流式泵轮机模型展开攻关。研究团队选取4°、9°、12°三种典型导叶开度，采用计算流体力学(CFD)与流体-结构耦合(FSI)方法，结合高精度实验台验证，首次系统揭示了零流量点工况下导叶的水力-结构耦合作用机制。特别引人注目的是，团队创新性地引入变分模态分解(VMD)技术，像精密的"信号手术刀"般剥离出应力应变信号中的多频成分，为故障特征提取开辟了新路径。

研究目标与方法
研究采用RANS方程和SST k-ω湍流模型进行非定常流动模拟，通过压力系数C_p
=(p-p_in
)/0.5ρv²
量化压力分布。实验系统集成±0.5%精度压力传感器和PIV流场测速技术，同步采集导叶应变信号并采用VMD分解处理。

内部流动特性
压力云图显示4°小开度时导叶吸力面出现明显低压区，涡量场呈现周期性脱涡现象。随着开度增至12%，流道内湍动能降低42%，但导叶头部冲击压力峰值反而升高28%，揭示出开度增大虽改善流动稳定性却加剧局部冲击的"双刃剑"效应。

结构响应分析
FSI模拟表明4°开度下导叶根部出现1.8倍于静态工况的交变应力，VMD分解识别出78Hz、145Hz两个主导频率分量，分别对应卡门涡街脱落频率和叶片固有频率。9°开度时出现的第三种模态(213Hz)被证实与尾水管压力脉动耦合相关。

应力集中机制
应变能密度分布揭示导叶出水边缘存在明显的"蝴蝶形"应力集中区，12°开度下该区域Von Mises应力达345MPa，接近材料屈服极限的85%。动态载荷谱分析显示应力循环次数超过10⁶
时可能引发高周疲劳裂纹。

这项研究犹如给泵轮机装上了"动态心电图"，不仅阐明了不同导叶开度下水力-结构耦合作用的定量规律，更建立了基于VMD信号特征的早期故障预警指标体系。研究提出的"开度-涡强-应力"三维关联模型，为抽水蓄能机组避开危险运行区间提供了理论依据。特别是发现的小开度诱发涡振、大开度导致冲击破坏的相反失效模式，颠覆了传统单一追求大开度的操作理念，对制定差异化运行策略具有重要指导价值。正如研究者所言，这项成果既是流体力学与固体力学交叉研究的典范，也是装备状态监测从"经验判断"迈向"数字孪生"的关键一步。