异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m³/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.     

水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律.结果表明,尾水涡带形态和旋转方向对机组压力脉动的影响很大:在小流量工况下,尾水涡带为螺旋状,旋转方向与转轮转动方向相同,转轮出口产生强烈的低频压力脉动,转轮叶片上的压力脉动频率约为转轮转频的0.62倍,尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍;在最优工况和大流量工况下,尾水涡带变为管状,转轮出口压力脉动幅值变小,在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动;大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反,尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域.     

导叶开度对混流式水轮机转轮叶片表面空化性能的影响

由于在一些中小型水电站中,其水轮发电机组的转轮叶片表面常常会发生空化现象,较大程度地影响了机组的安全可靠运行。从某水电站的转轮叶片空化问题出发,首先对该混流式水轮机进行三维建模,然后进行全流道数值模拟,分别对不同导叶开度下转轮叶片表面压力、空泡体积分布规律进行分析。研究发现:随着水头的增加,吸力面低压区面积进一步扩大。特别是40%开度时叶片吸力面低压区面积增大最多,且随着水头的继续增加,低压区有向叶片中部移动的趋势;同时在40%开度下叶片表面空化受水头影响较大,而在100%开度下叶片表面空化受水头影响并不大,但随着导叶开度的增大,叶片表面越容易发生空化,特别是叶片吸力面出水边靠近下环处空化更明显。研究结果可为该水轮发电机组的安全稳定运行提供理论参考依据。     

水泵水轮机泵工况的压力脉动特性

为研究水泵水轮机在水泵工况时不同操作条件下的水力不稳定性,应用计算流体动力学软件Fluent分别对水泵水轮机三维全流道的设计工况、大流量工况和小流量工况进行非定常计算,同时监测了蜗壳进口、转轮与活动导叶之间、转轮与顶盖之间以及尾水管处的压力脉动.结果表明:水泵水轮机在水泵工况下压力脉动幅值最大的位置位于转轮与活动导叶之间的无叶区,转轮与顶盖之间的压力脉动次之,而蜗壳和尾水管处的压力脉动则比较小;在设计工况下压力脉动幅值最小,并且越偏离最优工况压力脉动的幅值越大;位置不同,影响水力稳定性的主频也不相同,转轮与活动导叶之间压力脉动的主频为叶片通过频率,转轮与顶盖之间的压力脉动的主频为转频的倍数,尾水管处压力脉动同时受叶片通过频率和低频的影响,而蜗壳进口处的压力脉动则主要受低频影响.     

混流式水泵水轮机全特性曲线S形区流动特性

混流式水泵水轮机转轮的离心效应较混流式水轮机明显,形成了全特性曲线上的S形特性。该S形区水泵水轮机流道内流动状况很不稳定,为了详细了解该区域的流动特性,选取等开度下水轮机工况、水轮机飞逸工况、零流量附近水轮机制动工况、零流量附近反水泵工况以及反水泵工况等5个工况点进行全流道定常流和非定常流数值分析。定常流动分析表明:全特性曲线上的S形区转轮和导叶流道内存在大量的涡,消耗了大量的水能,致使机组输出功率很小。非定常流场计算表明:在S形过渡工况区,蜗壳与尾水管直锥段内的压力脉动频率与幅值均相近,且幅值小;而导叶至叶片的无叶区和叶片进口的压力脉动幅值高,主要为高频脉动。     

水泵水轮机水轮机工况全流道三维非定常数值模拟

为了研究水泵水轮机水轮机工况下的内部流场及压力脉动特性,对某蓄能电站的水泵水轮机几何建模,采用RNG k-ε模型和SIMPLE算法,对水泵水轮机水轮机工况时三维全流道的空载工况、25%负荷工况、50%负荷工况、75%负荷工况、额定工况及满负荷工况进行三维非定常模拟;同时,监测蜗壳入口、活动导叶之间、导叶与转轮之间无叶区,以及尾水管直锥段和弯肘段的压力脉动情况.结果表明:空载等低负荷工况下,活动导叶出口出现射流,使导叶与转轮间无叶区流场恶化及转轮叶片进水边附近产生涡结构,随负荷增加而缓解;50%负荷工况下,尾水涡带有多分支相互缠绕,导叶与转轮间无叶区受动静干涉高频脉动的影响,尾水管区域受尾水涡带低频脉动影响,且各自向上、下游传播;额定工况下,P1至P5测点压力脉动的压力呈现阶梯依次降低,转轮前、后部分转轮与导叶间无叶区测点P3、尾水管锥段测点P4的脉动压力值出现很大的落差;各工况下导叶与转轮间无叶区脉动频率不变,各频率幅值随负荷增加而增大.     

基于人工神经网络模型的混流式水轮机转轮多目标优化

【目的】探究一种同时提升混流式水轮机运行效率、空化性能及运行稳定性的优化方法,为混流式水轮机转轮的多目标优化提供技术途径。【方法】以转轮叶片进出口安放角、安装角为优化变量,通过对叶片几何参数随机离散抽样获取样本数据库,基于CFD数值计算获取各样本的性能参数,进而建立同时考虑混流式水轮机转轮效率、出口旋流数以及空化系数的多目标函数;基于人工神经网络建立优化变量与多目标函数的映射关系,最后采用遗传算法对转轮叶片的18个几何参数进行全局寻优,并对优化前后的转轮叶片性能进行对比分析。【结果】在导叶开度为112°且运行水头分别为160、175、180 m的3个工况下,优化后的转轮效率相较优化前分别提高了0.22%、0.56%、0.60%;叶片压力分布情况得到有效改善;转轮无叶区与尾水管锥管段处压力脉动幅值显著降低。【结论】叶片进口安放角的优化程度越大,混流式水轮机综合性能的提升幅度越大。     

水泵水轮机导水机构与转轮动应力特性分析

为探究水泵水轮机转轮和导水机构的动应力特性,通过建立水泵水轮机导水机构（固定导叶与活动导叶）及转轮的固体域模型,并基于流固耦合的方法对转轮、导水机构在水泵水轮机发电、抽水等多工况展开计算分析,以获得转轮及导水机构的应力特性。计算结果表明：转轮叶片与上冠“T”型连接处的应力集中与转轮进口处旋涡发展状态有关;转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源,且主频为叶片通过频率;较小开度或低水头工况下机组运行靠近不稳定区,活动导叶与转轮的动应力均较大,但活动导叶对水流的约束引导作用使其动应力值相比于转轮更高,且流量的增大有利于降低转轮所受动应力。因此可考虑通过改变导叶尾端与转轮进口间距,调整无叶区宽度或调整机组运行区域,避免长时间运行在低负荷、小开度工况下可进一步改善转轮所受动应力情况。     

水泵水轮机水轮机制动区的流动特性

为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性,根据某抽水蓄能电站建立水力模型,应用计算流体动力学软件Fluent模拟其流动特征．采用SST k-ω模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证．结果表明,水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大,在力矩为0时的水头最低;导叶开度越大,进入制动区时所需的转速越高,且流量越大,可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区;导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构,随着流量的减小,在叶片和活动导叶的进口以及固定导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡,并且呈现出类周期性分布特征;转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的,导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以上结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．     

水泵水轮机转轮区域脉动特性分析

为了揭示水泵水轮机转轮区域压力脉动特性,选取模型水泵水轮机为对象.基于Realizable k-ε湍流模型,对模型水泵水轮机不同运行工况进行三维非定常数值计算,研究水泵水轮机在不同水头下带部分负荷时转轮区域的脉动特性.研究结果表明:30%负荷情况下,随着水头的增加转轮区压力脉动逐渐剧烈;在1个周期内,转轮上冠的压力脉动在时域特性上呈现周期性变化,而转轮出口轴线和与尾水管交界面处压力脉动在时域上相对紊乱;转轮上冠处压力脉动从进口边到出口边逐渐增大,其主频都为叶频,转轮出口边轴线上压力脉动都属于低频脉动,沿着负Z轴方向压力脉动幅值逐渐减小,转轮与尾水管交界面上压力脉动主频随着水头的增加逐渐减小,幅值的变化规律却相反.     

水轮机真机转轮动应力试验分析

在一台容量为600 MW的大型水轮发电机组上开展运行稳定性及转轮叶片动应力试验研究.通过固定在发电机大轴顶端的无线动应力测试仪,实时采集机组运行过程中叶片上30个不同位置的应变数据,离线分析在导叶不同开度工况下的水轮机转轮动应力变化规律和频率特征;在动应力试验进行的同时,采用另一套基于NI硬件平台的测试仪对机组的运行稳定性指标进行实时分析,将稳定性试验结果与动应力测量结果进行比较并做相关分析,发现机组在导叶小开度工况约30%设计流量时,叶片动应力达到比涡带区更高的峰值,此时蜗壳压力钢管部位以及尾水部位的压力脉动波形在频域上与动应力的频谱有一定的相似性,在动应力和压力脉动的频谱上都可以看到较为明显的导叶通过频率和谐波以及分布在20~50 Hz区间的丰富频率成分.     

尾水管深度对轴流定桨式水轮机性能的影响

尾水管深度对水轮机的效率及稳定性都有重要影响。为解决某电站水轮机效率及出力不足的问题,采用数值模拟的方法,分析了尾水管深度变化对水轮机性能的影响。通过几个不同尾水管加深方案的比较分析,得出尾水管深度在一定范围内增加能有效提高尾水管回能系数,降低扩散损失。但由于沿程摩擦损失会随深度增加而增大,因而综合考虑损失、效率及经济性因素,最终选定尾水管深度为3.0D1的尾水管深度方案。同时,为保证水轮机的运行稳定性,也比较了该方案对流场稳定性的影响,分析了湍动能及脉动的变化。结果表明尾水管与转轮内流场存在相互作用,直锥段加高后不但会降低直锥段出口的湍动能,也会减轻转轮出口的湍动能。即尾水管内流动的改善也会降低转轮出口附近流场的紊乱程度,显著降低了转轮所受到的径向力及压力脉动峰峰值,提升了转轮内流场的稳定性。此外尾水管深度改变方案对转轮空化性能的影响不大,转轮叶片背面的最低压力范围基本没有变化。     

导叶不同开度下水泵水轮机内流特性分析

为研究预开导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行预开导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与试验结果进行对比验证.探讨活动导叶与转轮之间,以及转轮内的旋涡分布情况,定量分析了转轮受力情况和尾水管压力脉动.结果表明:在同步导叶开度一定的情况下,随着预开导叶个数的增加,其过流部件的流量将会增大,且存在于活动导叶和转轮区域的高速水环也会被破坏,形成紊乱的旋涡.从转轮区域看,在叶片的液道内形成不同的涡结构,其分布的不均匀性将直接影响转轮的受力情况.随着预开导叶个数的增加,这种情况将更为明显,转轮径向力的幅值逐渐增大.进一步分析尾水管压力脉动发现,尾水管压力脉动幅值也随着预开导叶个数的增加而增大,从而导致机组振动加剧、运行不稳定.     

长短叶片混流式水轮机内部流动数值预测

为研究长短叶片混流式水轮机的内部流动特性,基于CFX软件平台,运用N-S方程和SST湍流模型,对HLA542-LJ-130长短叶片水轮机全流道典型小流量工况进行三维湍流计算,得到了水轮机各过流部件内流场的流动信息.计算结果表明,从固定导叶到活动导叶出口,速度矢量随压力降低而均匀增大,而且压力和速度分布在圆周方向的周向性较好,从叶片进水边到出水边,长短叶片压力变化为均匀减小,压力分布比较合理,叶片工作面表面没有明显的回流和二次流,流线分布较为流畅,尾水管进口压力、速度分布基本对称,压力沿径向分布比较均匀,尾水管肘管之前有与转轮旋转方向相同的涡带,涡带在尾水管中发展至尾端,但没有明显的偏心,在扩散段内逐渐减弱.研究结果对高水头水电站的水轮机选择和设计具有重要的指导意义.     

水泵水轮机不同导叶开口的驼峰特性

为研究水泵水轮机在不同导叶开口下的驼峰特性,对某一电站水泵水轮机模型水泵工况进行试验,得到不同导叶开口下的驼峰特性曲线,结果表明随着活动导叶开口减小,在低负荷区水泵工况扬程越高,扬程趋势越陡,同时驼峰现象更明显,但是驼峰区域变小.在试验研究的基础上,对该模型进行三维实体建模,并进行网格划分,采用SST k-ω模型、标准k-ω模型、RNG k-ε 模型和标准k-ε模型分别对19 mm活动导叶开口下各个工况点进行数值模拟,最终确定SST k-ω湍流模型能够较好地符合试验结果.分别选取13,19,25 mm活动导叶开口进行数值模拟,得到水泵工况的扬程、力矩和效率与流量的关系曲线,与试验结果对比,其变化趋势一致.针对19 mm活动导叶开口低负荷工况点、驼峰区工况点、最优工况点和超负荷工况点进行流动特性对比分析,表明驼峰特性与转轮流道内和固定导叶部分流道内的流动分离及旋涡有关.     

贯流式水轮机固液两相数值模拟

为了研究不同泥沙直径对贯流式水轮机全流道磨损情况,基于雷诺时均N-S方程,采用欧拉-拉格朗日法并结合多面体网格技术、Realizable k-ε Two-layer湍流模型对贯流式水轮机全流道进行三维非定常固液两相流数值模拟.结果表明:同一泥沙浓度下随着泥沙直径的增大,进水管道上端面磨损较小而下端面磨损较大,当泥沙直径为0.2 mm时下端面最大磨损率达到0.000 795 kg/(m²·s);活动导叶和尾水管磨损区域随着泥沙直径的增大逐渐减小,当泥沙直径为0.01 mm时活动导叶最大磨损率为0.004 600 kg/(m²·s),主要磨损区域为导叶吸力面,尾水管最大磨损率为0.000 540 kg/(m²·s);转轮最大磨损率随着泥沙直径的增大逐渐变小,当泥沙直径为0.01 mm时,转轮最大磨损率为0.062 200 kg/(m²·s),主要磨损区域为叶片出水边和靠近轮毂处.机组在运行过程中,磨损最严重的部件是转轮,当泥沙直径为0.05 mm时,转轮体整体磨损率达到了5.750 000 kg/(m²·s),应避免转轮长时间在小直径泥沙下运行,导致磨损加剧.