抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。结果表明：机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID(proportion integration differentiation)调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡...     

混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响

混流式水轮机在低负荷工况下运行时,尾水管内出现旋转的偏心涡带,会引起强烈的压力脉动和振动,严重威胁厂房的安全。为了使机组稳定运行,该文提出了一种通过从上冠泄水锥引入高压补水的方法来降低尾水管的不稳定性。该文首先采用商业软件CFX16.0,对某电站混流式水轮机在低负荷工况下进行了可靠而准确的全三维非定常数值模拟,结果表明在该工况下尾水管内部存在明显的偏心涡带,并伴随着振幅较大的压力脉动,这与试验结果相吻合。其次,对该工况下不同补水流量进行了数值模拟计算,研究表明:尾水管内补高压水可以有效降低尾水管内部的流动损失,且随着补水量的增加而越小,但过大的补水量会引起叶片正背面压力的降低,影响水轮机的空化性能,故补水量的大小必须综合考虑;主轴中心孔高压补水可以增加转轮出口的轴向速度,从而改变涡带内速度场的分布,可有效消除回流现象,当补水流量过小时,抑制回流作用不明显;当补水量为进口流量1%时,尾水管内部压力脉动振幅变化不大,改善效果不明显;当补水量为进口流量3%时,尾水管内部涡带由双螺旋变成单螺旋,锥管段压力脉动振幅不减反增,不稳定性有所加剧;当补水量为进口流量5%时,尾水管内部压力脉动振幅从18.4%降低至1.63%,同时改变了压力脉动的主频,使其远离转轮主频,避免发生共振,提高了机组的稳定性。     

空化对轴流式水轮机尾水管压力脉动和转轮振动的影响

研究空化对轴流式水轮机尾水管压力脉动和转轮振动的影响规律,可为改善轴流式水轮机运行稳定性提供理论依据。该研究构建了包含高速摄像、激光测振仪(Laser Doppler Vibrometer,LDV)及高频压力脉动传感器的同步测试系统,并通过该系统获得了变空化系数下轴流式水轮机压力脉动数据、转轮径向振动数据及空化图像资料。综合变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)、频谱分析以及互相关分析法,揭示了空化对轴流式转轮振动和尾水管压力脉动的影响规律。结果表明:进入空化发展阶段后,尾水管锥管上的压力脉动幅值与转轮径向振动幅值会随空化程度的增加而提高;针对该研究的轴流式水轮机模型,转轮完全空化后,压力脉动峰峰值和转轮径向振动速度峰峰值是无空化时的9.16和10.12倍;空化所导致的转轮径向振动速度信号的中高频幅值提升局限于12.0～200.0倍转频的频率范围内;空化程度的增加还会导致压力脉动出现高频能量局部极值迁移现象,增加了其诱发机组共振的可能性。该研究对提升农业水利工程中轴流式水电站的经济性和运行稳定性有重要意义。     

液力透平非定常压力脉动的数值计算与分析

液力透平内部流场的非定常压力脉动是影响机组运行稳定性的关键因素之一,为了研究液力透平内部压力脉动,采用流场分析软件CFX对液力透平内部流场进行了三维非定常数值模拟,通过设置监测点,得到了不同位置处的压力脉动结果,并对压力脉动进行了频域分析。结果表明,液力透平内部压力沿着流道逐渐减弱;蜗壳环形部分入口位置和割舍处压力脉动较小,割舍前端和蜗壳中部位置处压力脉动较大,压力脉动主频为转频的2倍;叶轮内部的压力脉动在液力透平各过流部件的脉动中最为强烈,最大压力脉动发生在叶轮中间位置,压力脉动主频为叶频的2倍;尾水管内的压力脉动沿着尾水管流道逐渐减弱,压力脉动主频与蜗壳内部的压力脉动主频相同,为转频的2倍。     

多能互补条件下转轮优化对水轮机低负荷区稳定性能的影响

多能互补系统中新能源发电的不稳定性使得作为调能机组的水电机组频繁在水力效率低、振动剧烈的低负荷区运行，严重影响机组的寿命。该研究以多能互补系统中的混流式水轮机为研究对象，在前期考虑工况权重系数的转轮多工况优化设计结果基础上，对比分析了优化前后转轮叶片的几何参数变化，不同负荷区的水轮机内部流动状态及压力脉动特征差异。研究结果表明：优化后叶片包角、安放角以及叶片长度均有所增加，叶片表面压力分布及转轮进出水边速度矩分布更加均匀，有助于改善水轮机低负荷区的空化性能、提高能量转换能力。转轮进出口安放角的增加很好地抑制了转轮进口背面脱流涡及出水边的脱流涡区，改善了尾水管的入流条件，使得尾水管涡带的强度和影响范围明显减小。叶片优化后，转轮内各频率的压力脉动幅值均有不同程度的降低，尾水管内压力脉动改善明显。尾水管内0.2f_n(f_n为转频)和14f_n压力脉动在低负荷工况(OP1)幅值降幅分别为45%和40%，额定工况(OP4)尾水管内0.2f_n压力脉动基本消除，14f_n压力脉动幅值降幅为31%。...     

基于座头鲸"结节效应"的仿生离心泵空化特性

为了研究离心泵空化抑制策略，改善离心泵的空化特性，该研究基于仿生学中的座头鲸鲸鳍"结节效应"提出了一种仿生离心泵模型。对原型泵和仿生模型的瞬态空化流进行了数值模拟，并使用水力性能和空化性能试验对算法进行验证，分析了原型泵和仿生模型的外特性和空化特性，以及叶轮流道内空泡发展、压力脉动、涡量场、压力分布、湍动能分布情况。结果表明：数值模拟结果与试验结果吻合较好，仿生结构对原型泵水力性能影响较小，扬程变化范围为：-0.73%～0.77%，效率变化范围为：-1.74%～2.52%；仿生模型有效抑制了空泡发展，减少了空泡体积，在空化初生阶段抑制效果最好，平均空泡体积分数减少99.72%，仿生模型较原型泵的空化特性得到改善，提高了原型泵的水力性能；仿生模型降低了离心泵内多个位置的压力脉动主频幅值；仿生结构处产生的对漩涡会改变叶轮涡量场，使叶轮进口低压区减少的同时降低了叶轮流道内的湍动能，达到抑制空化发生和限制空化发展的作用。仿生模型可以有效的抑制离心泵空化的发生，改善离心泵的空化性能。     

管道泵不稳定压力及振动特性研究

为了找到引起管道泵振动的原因,该文研究了一比转速为59的管道泵叶轮-蜗壳的动静干涉所引起的压力脉动现象,及其对泵振动特性的影响。该文通过对比数值计算方法与试验方法获得的能量特性曲线,验证了计算模型的有效性;在此基础上分析管道泵蜗壳内的脉动压力场,通过数值计算有效研究了蜗壳周向不同位置处43个监测点在不同流量下的压力脉动幅值,特别在叶片通过频率下,蜗壳内的压力脉动特征与流量及蜗壳内监测点位置的关系。同时,通过振动试验,获取泵4个监测区域内25个监测点在不同流量下的振动幅值,通过快速傅里叶变换对振动信号进行频谱分析。计算和试验结果共同表明,隔舌区域的压力脉动幅值最大,叶片通过频率210Hz是压力脉动的主导频率;压力脉动及泵振动均在叶片通过频率下达到最大峰值,进一步论证了叶片通过频率是管道泵产生振动的主要频率值,由该频率引起的压力脉动冲力是管道泵产生振动的主要作用力;泵的压力脉动幅值和振动幅值均高于设计工况;4个监测区域内的振动幅值从大到小依次为:管道支撑,电机,泵体,底座。研究结果可为管道泵低振动的设计提供参考。     

灯泡贯流式水轮机增减负荷动态特性分析

水轮机频繁经历变负荷工况转换过程,使得机组在较短时间内工作参数急剧变化,严重影响电站稳定运行。该研究以某贯流式水轮机为研究对象,在考虑自由液面和水体重力的情况下,采用动网格技术对贯流式水轮机相同出力范围下的减、增负荷过渡过程的动态特性进行分析。研究结果表明：由于增负荷和减负荷过渡过程的起始工况导致起始流动状态不同,因此在相同出力时,机组内的流动分布不同,减负荷过程尾水管内的涡流面积及强度明显小于增负荷工况,且尾水管涡带尺度也明显小于增负荷过程;相比于增负荷过程,减负荷过程中转轮叶片大范围的低压区极易引发空化;机组内的水压力脉动主要以尾水管涡带引起的0.1fn(fn为转频)低频压力脉动和转轮的旋转引起3fn的高频压力脉动为主,增负荷过程的压力脉动幅值明显大于减负荷过程,两种压力脉动共同作用,使得贯流式水轮机主要振动区域集中于转轮。研究结果对贯流式水轮机的设计与运行具有一定的指导意义。     

混流式水轮机叶道涡流动特性研究

叶道涡是混流式水轮机运行在偏工况下出现的一种典型的空化流动现象，其起源于两叶片之间而消失于转轮出口附近，对水轮机内部的压力及速度场有直接的影响。为了阐明叶道涡演化特征及其对水力性能的影响，该文基于SST k-ω湍流模型及Zwart空化模型对某一低水头混流式模型水轮机进行瞬态空化两相流动的数值模拟及试验研究。结果表明，叶道涡流动结构的数值模拟与试验观测结果基本一致。在叶道涡工况区，转轮内空泡体积呈周期性脉动，叶道涡频率为转频的90%。叶道涡沿叶片展向发展于轮毂面，主水流在离心力的作用下向下环方向偏移，迫使叶道涡向出水边方向移动，故涡束沿叶片出口边背面靠近轮缘处流出。转轮内有限空间限制及偏工况下负冲角的综合作用，是形成叶道涡的主要原因。压力脉动及其频谱分析表明，活动导叶与转轮之间的无叶区、转轮叶片以及尾水管内均捕捉到了叶道涡频率，表明叶道涡频率同时向上游及下游传播。叶道涡对尾水管内部流场有较大影响，表现为锥管段及肘管段中心处形成较大回流区。该研究为进一步深入理解复杂的叶道涡流动特性提供一定参考。     

双叶片泵内压力脉动的数值模拟

为分析双叶片泵内压力脉动特点及其主要影响因素,采用RNG κ-ε模型对由叶轮水体、蜗壳水体及叶轮进口延伸段水体组成的三维计算区域进行3种不同工况下的非定常计算。通过分析计算模拟数据得出压力脉动时域图及频谱图,结果表明,双叶片泵内压力波动呈正弦周期性变化,进口处监测点压力波周期为其他监测点的2倍;压力脉动主要与泵内动静耦合作用有关,叶轮进口压力脉动主频等于叶轮的转频,叶轮与蜗壳耦合处及蜗壳出口压力脉动主频等于叶轮转频与叶片数的乘积,不同流量下同一监测点具有相同的主频,但其主频幅值不同,小流量下幅值最大,设计流量下幅值最小,叶轮与蜗壳耦合处压力脉动从隔舌处开始在叶轮旋转方向上逐渐衰退,所得结论对掌握双叶片泵内压力脉动产生的原理及其特性具有重要的指导意义。     

贯流式水轮机飞逸过渡过程瞬态特性CFX二次开发模拟

当水轮发电机组处于飞逸状态时,水轮机内部会出现严重的不稳定现象,容易引起机组的振动。贯流式水轮机因为水头低、流量大、通道短等特点,其过渡过程与常规的立式水轮机有许多不同之处。基于此,该文通过CFX16.0和Fortran程序的二次开发建立了水轮机飞逸过程的数值计算方法,对贯流式水轮机的飞逸过程进行了数值模拟,获得了转速、流量、力矩、轴向力等外特性参数在飞逸过程中的变化历程以及水轮机内部流场的动态特性。结果表明:计算得到的最大飞逸转速为2 190 r/min与试验测得的结果较为接近,误差不超过2.5%,验证了该数值方法的可靠性;飞逸过程中其余外特性参数的变化规律均符合高比转速水轮机飞逸过程的流动规律;在飞逸过程中,由于转速和流量的增加使得水轮机转轮进口相对液流角降低,水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压,在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压,并随着转速的升高,高压区和低压区逐渐增大,转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏;同时,转速的增加使得转轮出口环量增加,在尾水管内部将会形成偏心的螺旋涡带,引起了强烈的低频压力脉动,振幅最大可达到试验水头的104%,不利于机组的安全稳定运行。     

基于运行稳定性的离心泵导叶安装位置优化试验与分析

为提高导叶式离心泵的运行稳定性,探寻径向导叶相对隔舌的最佳安装位置,该文通过数值模拟确定了某型号单级单吸导叶式离心泵的3种典型导叶安装位置,并通过试验对3种安装位置下的外特性、压力脉动和振动特性进行了测试。对比分析了外特性曲线、压力脉动幅值和频域特性、振动幅值和频域特性。研究结果表明,蜗壳隔舌处于导叶出口流道中间位置时,离心泵水力性能最好,效率相对于其他2个位置最多提高2个百分点;测点在3个方向上的振动加速度幅值均处于较低水平,但是会增大蜗壳扩散段在大流量时的压力脉动幅值,最多高出2.25 k Pa。由于径向导叶的存在,2倍轴频和3倍轴频是压力脉动的主要激励频率;2倍轴频与6倍轴频是振动加速度的主要激励频率。蜗壳扩散段压力脉动幅值随着流量增加先减小后增大,在0.6倍工况达到最低值。导叶安装位置对压力脉动频域分布规律和振动加速度频谱特性的影响较小,相同工况下,测点的压力脉动频域分布规律和振动加速度频谱特性基本相同。因此,该研究为径向导叶的合理布置提供了参考。     

液力减速器启动过程的瞬态压力脉动分析

为研究叶片倾角、充液率对液力减速器启动过程瞬态压力脉动的影响,该文基于INV3020数据采集系统组成的瞬态压力脉动测试系统,对60°、75°、90°共3种叶片倾角和60%、70%、80%、90%、100%共5种充液率工况下的压力脉动信号进行采集。结果表明:不同叶片倾角的液力减速器在启动过程压力脉动峰值所对应的频率均出现在200 Hz以下,压力脉动主要集中于叶频处且随着叶片倾角的增加呈现增大的趋势。不同充液率液力减速器在启动过程压力脉动主要集中于叶频处,在60%~90%充液率工况下,压力脉动幅值随着充液率上升而减小,在90%~100%充液率工况下,随着充液率上升而快速增大。因此,减小叶片倾角和维持充液率在70%~90%下能有效减小压力脉动。研究结果揭示了不同叶片倾角,不同充液率对液力减速器启动瞬态压力脉动的影响规律,可为低振动,低噪声液力减速器的优化设计提供理论依据。     

混流泵启动过程压力脉动特性试验

为研究混流泵启动瞬态过程规律,建立了混流泵启动过程瞬态外特性和压力脉动测量系统,探究不同启动时间和不同流量下瞬态压力脉动的时频特性。通过变频器设置启动时间,分别采用LWGY-250型涡轮流量计和MPM480型压力传感器进行瞬态流量和瞬态压力测量,并基于小波变换对启动过程的非平稳压力脉动信号进行分析。研究结果表明,在启动过程中,随着泵转速增加,流量和扬程曲线均可近似分为缓慢上升、快速上升而后缓慢趋于稳定3个阶段,且每个阶段完成时间均与启动时间长短呈正相关。启动结束时刻,由角加速度与低工况运行共同引起的压力冲击现象与流量大小和启动时间有关。流量一定时,启动时间越短,压力冲击越显著;启动时间一定时,流量越大,进口压力冲击越小甚至消失,而叶轮中部与出口的压力冲击愈加明显;1 s启动且稳定工况为1.2倍设计流量时,叶轮中部与出口的最大冲击压力值分别可达37和28 kPa。对于快速启动,流量对启动过程瞬态压力变化无影响,在启动结束后流量对压力变化影响开始显现,当压力趋于平稳时,2种不同流量下叶轮中部的压力差约为30k Pa;对于慢速启动,流量对启动特性的影响在启动过程便有明显体现,在启动结束时刻,叶轮中部和出口的压力峰值均下降15k Pa。启动过程中,叶轮主频为叶频及其倍频,其变化趋势与转速变化一致。快速启动条件下,在启动结束时刻主频压力幅值存在由压力冲击造成的极大值。研究成果可为揭示瞬态运行特性及优化、设计瞬态工作水泵提供参考。