基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.     

混流式水泵水轮机驼峰区压力脉动特性

为了研究混流式水泵水轮机在峰区内部流动的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,对模型机组进行了全流道非定常数值计算.结合试验数据,分析了泵工况下驼峰区流道内不同位置处压力脉动特征和流态特征,讨论了流量变化对机组压力脉动特性的影响.结果表明:驼峰区工况下,蜗壳出口的压力脉动主要受到其内部流动特性的影响,同时受到上游双列叶栅作用的影响,在驼峰区极小值工况点处其压力时域变化周期性被扰动;导叶后转轮前的压力脉动主频为低频,第2主频为9倍转频和18倍转频,压力脉动幅值随着流量减小而增大;锥管内压力脉动都属于低频压力脉动,在驼峰区极小值工况点处,锥管上游压力脉动受下游转轮-尾水管动静干涉作用影响较大,出现了高频成份的压力脉动.     

改变导叶翼型对水泵水轮机“S”特性的影响

针对水泵水轮机“S”特性区域的不稳定性问题,提出使用改型活动导叶翼型进行性能提升．以某水泵水轮机模型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型对水泵水轮机全流道进行三维数值计算,通过对活动导叶翼型的改型设计,得出流量-转速模拟曲线,分析水泵水轮机组“S”特性改善情况．将计算与试验结果进行对比,并对改型活动导叶翼型前后机组的无叶区进行压力脉动分析．结果表明：在保证整体效率依然保持在92%附近的前提下,新的活动导叶翼型对机组的“S”特性依旧具有改善效果;无叶区压力脉动主要是受到活动导叶叶栅区域的分流在此重新聚集影响,并且与转轮叶片的动静相互扰动引起的;改型后的活动导叶降低了无叶区的压力脉动幅值,提升了水泵水轮机运行中的并网稳定性．     

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.     

水泵水轮机流场脉动与熵产率的关系

为了研究水泵水轮机不同工况下的运行稳定性,采用FLUENT软件对模型水泵水轮机转轮和无叶区的流态、熵产率分布、压力脉动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比.结果表明:数值计算的压力脉动数据与试验值吻合较好,旋涡引起的速度梯度和压力梯度剧烈变化是水泵水轮机内部高能量损失的根本原因.相较于设计工况,小流量工况时转轮叶片吸力面水流的流动分离和旋转失速会导致此处熵产率较高,叶片吸力面压力脉动主频和第2主频幅值最大;大流量工况时动静干涉作用占主导,无叶区的熵产率最大,相应的无叶区压力脉动主频幅值也最大.可见各工况下主流区熵产率和压力脉动具有强相关性,熵产率大的区域,压力脉动也较大.     

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。     

水泵水轮机泵工况非设计工况流态与压力脉动分析

水泵水轮机的运行稳定性对抽水蓄能机组产生极大影响,为研究不同工况下水泵水轮机内部流态及压力脉动的详细特征,针对某一模型水泵水轮机,分析2种不同导叶开度下从较小流量到较大流量的内部流动和压力脉动。结果表明,小流量下活动导叶开度小时和大流量下活动导叶开度大时压力脉动较小,瞬时扬程的波动变化也小,流动平稳;小流量下活动导叶开度大时和大流量下活动导叶开度小时受到许多低频的影响,频率成分比较复杂,压力脉动幅值较大,瞬时扬程的波动也大,内部流动紊乱。     

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.     

带MGV装置水泵水轮机无叶区压力脉动特性

为研究带非同步导叶(MGV)装置的水泵水轮机无叶区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流模型,针对水泵水轮机在低负荷工况下预开导叶对无叶区流动的影响,选取预开导叶分别为24,33 mm下的水轮机工况为研究对象, 并设计4种非同步导叶布置方案,通过全三维流道数值模拟分析得到机组在低负荷启动时振动的最优方案.结果表明:在预开导叶相对应位置的无叶区处,具有较大的压力脉动幅值;集中分布预开导叶对转轮振动的改善效果优于等间隔分布预开导叶方案;最终选择预开7#,8#和17#,18#这2对活动导叶组情况下对水泵水轮机机组振动的改善效果最为明显.     

转速对水泵水轮机压水调相运行水环流动的影响

为了研究水泵水轮机在调相工况下转速对水环流动的影响,应用ANSYS CFX软件对某中比转数水泵水轮机在调相工况下的水环流动特性进行全流道非定常数值计算,分析水泵水轮机在不同转速下(n=600,800,1 000,1 050 r/min)水环的压力脉动特性和流动特性.研究结果表明:无叶区水环的厚度与转速密切相关,转速越大,水环内自由液面的平均半径越大,水环厚度越薄;不同转速下无叶区内的压力脉动频率组成成分相同,主频均为由动静干涉作用引起的7f_n,且随着转速的增大主频的幅值增大,水环的流动速度增大;在相同转速下,无叶区周向压力脉动强度变化不明显,但在无叶区径向,越靠近转轮处压力脉动越小;转轮出口处有明显的气液分界面,整个转轮流道内充满气体,这表明水环对气体密封的效果良好.研究结果可为水泵水轮机调相工况运行提供一定参考.     

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．     

水泵水轮机压力脉动传播特性试验研究

压力脉动是影响水泵水轮机运行稳定性的主要因素。现有研究更多关注高频压力脉动的频域和传播特性,而小于叶频的低频也是压力脉动的主要来源。采用试验方法研究压力脉动可以得到更准确的结果,不易遗漏主要频率成分。通过从蜗壳到尾水管布置不同的压力脉动监测点,采用试验方法研究了水泵水轮机分别在水轮机和水泵工况时,过流部件内压力脉动高频成分和低频成分的上下游传播特性。结果表明,水轮机和水泵工况下,无叶区压力脉动幅值最大,主频为叶频及其倍频,向上下游传播时,急剧减少,传播性较弱;压力脉动幅值较小的转频,向上下游传播时衰减较少,具有较强的传播性;其它监测点处小于叶频的频率成分增加。水轮机工况时,形成于蜗壳进口和锥管处小于转频的低频频率,具有较强的传播性,而转轮可以削减其传播能力。水泵工况时,小于叶频的频率成分大多在无叶区最大,向上下游传播时有所衰减;低频f/f_n=0.006具有较强的上下游传播特性,偏离最优工况时,向上游传播会有所增强;转频的倍频f/f_n=3的压力脉动幅值较小,但在整个流道中无衰减。     

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.     

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.     

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。     

含导叶的液力透平内部压力脉动特性

为了降低液力透平内部的压力脉动幅值,选择一单级离心泵反转作液力透平,首先在液力透平叶轮外径处设置一组负曲率导叶,采用试验测量的方法研究添加导叶后液力透平的外特性,之后利用Pro/E软件建立含导叶的液力透平的几何模型,采用SST k-ω湍流模型并利用CFD计算该模型在叶轮进口前有无导叶2种情况下液力透平各过流部件内的压力和压力脉动变化情况,并通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理,分析各过流部件内的时域和频域分布.研究发现:在液力透平叶轮进口前添加导叶后,蜗壳内的压力脉动主频幅值以及最大脉动幅值均减小,且添加导叶后叶轮内的压力脉动幅值也降低;同时添加导叶后尾水管内液流流动稳定,且尾水管内无涡流产生,使尾水管内的主频幅值大幅度减小.因此在液力透平叶轮外径处设置导叶不但能改善液力透平的性能,还能有效地降低各过流部件内的压力脉动幅值.     

多级离心泵多工况压力脉动数值模拟

为了研究多级泵中叶轮和导叶的动静干涉现象,采用Ansys CFX软件对某一5级离心泵不同流量工况下非定常流动进行数值模拟,获得并分析了叶轮和导叶内4个典型位置的流动压力脉动分布特性。通过与外特性试验和振动试验结果的对比,验证了数值模拟的可信性。结果表明:各监测点脉动主频560 Hz左右,为2倍叶频处,且振动幅值较大,动静干涉现象强烈;叶轮与导叶交界面的压力脉动强度最大;导叶内压力脉动受叶轮的影响,离叶轮出口越远,压力脉动幅值越小;导叶内在叶频处存在较大峰值,说明叶频是其出口压力脉动的主要成分,流量越小,脉动强度越大。通过掌握压力脉动分布特性,能够为多工况运行的低压力脉动多级离心泵水力设计提供重要的理论依据。     

水泵水轮机非同步导叶启动工况三维模拟研究

水泵水轮机低水头启动时,空载工况附近S特性明显,工况点进入后,机组宏观参数易发生振荡。为研究低水头启动工况机组快速稳定的内流机理,设置非同步导叶,引入调速器参数,通过三维模拟分析启动全过程宏观参数、压力脉动与流态的演变规律。结果表明,启动过程初期导叶同步开启,转速较小,转轮叶道内产生大范围失速涡,压力呈低频高幅值波动;转速上升过程中,流态逐渐平顺,压力脉动逐渐降低;进入调速器调节阶段后,工况点进入S区,压力脉动呈高频高幅值,而非同步导叶破坏了无叶区产生的高速水环,促使机组快速稳定。