水轮机尾水管涡带压力脉动同步及非同步特性研究

尾水管涡带是混流式水轮机在部分负荷工况运行时尾水管内出现的一种螺旋状涡旋运动,其诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接影响且易造成疲劳破坏。基于SST k-ω湍流模型对运行在42. 35%额定功率的某混流式模型水轮机进行了尾水管内部流动特性的试验测试与数值研究,数值压力脉动幅值及主频与试验测试吻合度好,误差分别约为2. 70%和2. 62%。尾水管内出现进动涡带时,测点压力均作0. 25倍转频的周期性脉动,涡带扫过测点时,其压力最低。位于涡带运动轨迹附近的压力测点,其压力幅值最高。为了进一步阐明尾水管涡带的复杂流动特征及其动力学特性,将尾水管压力信号分解为同步分量及非同步分量。研究发现,分解后的非同步分量对原始信号有较强的依从性,其幅值较高且保持主频为0. 25倍转频,而同步分量主频发生变化且压力脉动幅值较小,表明非同步分量对尾水管涡带的形成贡献大于同步分量。尾水管锥管段不同高程上同步及非同步分量幅值的量化分析表明,非同步分量幅值绝对占优,沿流动方向非同步分量幅值先增大后减小,而同步分量幅值逐渐增加。     

射水减弱混流式水轮机尾水管内压力脉动的数值模拟

选用RNGk-ε湍流模型,对一台混流式模型水轮机在部分负荷工况下的流动进行了全流道三维瞬态湍流数值模拟.数值计算结果与模型试验结果进行了比较,成功预测了水轮机尾水管内压力脉动的幅值与频率特性.从混流式水轮机泄水锥处向尾水管内射水可减弱尾水管内低频压力脉动,对射水后水轮机内的流动进行了数值模拟.计算结果表明,通过射水可以有效减弱尾水管内的压力脉动,减小压力脉动幅值.随着射水量的增加,压力脉动幅值减小更加明显,但是同时会导致水轮机效率的下降.为了尽可能大的减小压力脉动幅值,并兼顾水轮机效率,建议选择0.03～0.05倍该工况流量的射水量.此时,水轮机压力脉动幅值降低明显,而水轮机效率下降不大.     

轴向射水减弱尾水管低频压力脉动试验

设计了一种从蜗壳引水通过泄水锥向尾水管内进行轴向射水的结构,实现减弱尾水管内低频压力脉动.对轴向射水和无射水情况下混流式水轮机内部压力脉动进行了模型试验研究.分析了4种部分负荷工况轴向射水和无射水时水轮机内部压力脉动幅值特性和频率特性,研究了轴向射水减弱尾水管低频压力脉动的效果.研究表明,在部分负荷工况下尾水管中存在螺旋涡带并引起尾水管壁处强烈的低频压力脉动,其频率约是1/5转频,该低频压力脉动是引起水轮机不稳定运行的主要原因;实施轴向射水后,在各部分负荷工况尾水管中低频压力脉动幅值都有明显减弱,但涡带频率基本保持不变.轴向射水使涡带向下游移动并对双涡带结构起到抑制作用.     

基于真机试验的尾水管压力脉动研究

尾水管的压力脉动特性是混流式水轮机运行稳定性的重要评价指标,研究其特性对于解决由水力因素引起的机组不稳定问题具有重要意义。为掌握尾水管的压力脉动特性,以国内某水电厂200MW混流式水轮机为对象,采用真机试验的方法进行全范围变负荷试验。试验数据表明,在部分负荷区域尾水管内部存在较大的压力脉动,其对机组摆度有一定影响,但对机组振动影响甚微。     

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.     

低比转速轴流式水轮机压力脉动试验研究

为了研究低比转速轴流式水轮机压力脉动问题,对某低比转速轴流式水轮机进行了模型试验.采集了蜗壳、无叶区和尾水锥管等5个测点的压力脉动试验数据,采用叶片出口速度头的压力脉动相对幅值预测原型机的压力脉动性能;基于FFT频谱分析,研究测点位置的压力脉动频率成分.研究结果表明:蜗壳和无叶区的脉动幅值随着出力的增加有减小的趋势,尾水锥管的压力脉动幅值随着出力的增加有增大的趋势;尾水管中的低频成分为涡带的旋转频率,该频率成分的压力脉动向上游传递至蜗壳入口;转频和叶频等频率成分的出现表明整个流道中均受到动静干涉的影响.     

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.     

尾水管压力脉动对小水电孤网运行的影响

针对小水电低负荷运行时的尾水管压力脉动现象,建立了考虑尾水管压力脉动的水轮机模型,利用正弦波叠加随机信号的方法模拟脉动情况,分析脉动特性对小水电孤网运行的影响。仿真结果表明:水轮机机械功率和发电机有功功率的波动幅值与压力脉动幅值成正比;压力脉动频率越接近发电机的固有振荡频率,有功功率的波动幅值越大。基于分析,给出抑制尾水管压力脉动影响的方法,为小水电运行提供指导意见。     

长短叶片混流式水轮机流动特性分析

为探讨长短式叶片混流式水轮机的内部流动规律,基于CFD性能预测方法,采用SIMPLE算法和RNGk-ε模型,计算水轮机在不同工况下的速度-压力分布,探讨水轮机内部流场的速度分布、压力分布、尾水管涡带和压力脉动情况。研究结果表明:蜗壳内流体流动较为规律,当蜗壳内流体旋转至转轮进口处时,蜗壳内的流体排泄可能迟滞,流动复杂。导叶开度增加后,尾水管旋涡区向下移动,强度增大,且对扩散段流态造成影响。在部分工况下能很好地捕捉到真实最大压力脉动信息。研究可为深入了解水轮机激振的内在机理、改善水轮机的综合性能提供一定参考。     

一管双机式混流式水轮机压力脉动预测与振动分析

针对一根引水管带多台水轮机的水力振动问题,采用不可压缩流N-S控制方程结合Realizable k-ε紊流模型对一管双机式混流式水轮机非恒定流动进行全流道三维数值分析。得到了水轮机在不同工况下的压力场、不同测点位置的压力脉动、尾水管涡带变化规律,并对压力脉动进行了频谱分析,获得了不同工况下的压力脉动主频和功率谱密度值。计算结果显示,尾水管涡带引起的压力脉动幅值最大,其功率谱密度值也远大于其他部位的值,表明尾水管涡带是引起机组产生振动的主要原因;且两台机组尾水管涡带压力脉动的模拟结果存在一定的差异。计算成果可以为电站的振动问题的处理提供参考。     

溪洛渡水电站巨型混流式水轮机水力开发

针对溪洛渡水电站机组具有水头高、变幅大和单机容量为770 MW的巨型混流式水轮机水力开发的特殊问题展开研究.从水力稳定性控制的角度,讨论了水轮机水力开发条件,论证了额定转速、单位流量、单位转速、设计水头等4项关键水力参数和导叶相对高度、进出口转轮直径之比等2项关键几何参数的选择原则与匹配关系.并通过研究对比不同水力初设方案,分析不同设计参数可能引发的水力稳定性问题,结果表明:在巨型混流式机组的设计过程中应该选择较低的水力参数进行设计.研究结果显示,通过提高设计水头的水力优化措施既使得转轮叶片进水边背面初生空化远离了水轮机的运行范围,又改善了水轮机高水头部分负荷运行区转轮内的流道旋涡特性.最后根据模型验收试验证明了所采用的水力设计方法具有实际工程应用价值.     

JP50式卷盘式喷灌机水涡轮的性能试验

为了掌握国产卷盘喷灌机水涡轮水力性能和能耗,构建了一种试验装置,其由供水泵、制动器、扭矩-转速传感器、测量仪组成。试验时调节制动器来改变负载大小从而调节水涡轮转速,通过测量流量以及进出口压力,得出水涡轮水头、水功率,扭矩仪测出转矩和转速等,从而得到水涡轮在各工况下的效率,试验分别测得了水涡轮在7种转速下的特性曲线。得出水涡轮的高效区范围,高效区功率大小,随着转速的降低,高效区向小流量偏移。试验结果说明,国产JP50卷盘喷灌机的水涡轮效率较低,有很大的节能空间     

栗子坪电站水轮机补气装置改造

针对栗子坪电站高水头混流式水轮机原设计中,采用水轮机主轴法兰根部孔对转轮中心下方进行补气的方式在涡带区不能正常补气,并会引起机组振动过大的问题,通过采用加装尾水管十字架补气装置对机组补气装置进行了设计改造;为防止十字架装置脱落,采用优质不锈钢材料,对其进行流线型加工,且补气孔设在十字架中心和背水边,以减小水流阻力和涡带反作用力．对比改造前后的机组振动、压力脉动及补气量的试验数据,结果表明:改造后,补气装置可以正确地在机组强振动区自动补气,能有效地消除尾水涡带引起的压力脉动;机组导轴层摆度、机架和顶盖振动都有不同程度的减小,并从根本上解决了尾水管锥管摆动问题,对机组的整体稳定运行起到了很好的作用.     

叶片包角对水轮机模式多级液力透平性能的影响

为了研究叶片包角对水轮机模式液力透平性能的影响,以1台二级透平为研究对象,分别设计转轮叶片包角为20°,30°,40°和50°,采用Fluent软件进行数值计算.结果表明:叶片包角对透平水力性能影响显著,随着包角的增大,透平水头逐渐升高,效率先增大后减小,设计工况下,当包角为30°时效率最高,达到80.24%.受一级转轮出口负环量的影响,二级转轮进口环量低于一级转轮进口环量,从而导致二级转轮效率比一级转轮效率低.通过对其压力脉动特性分析发现,转轮内的压力脉动较其他过流部件脉动强度大,二级转轮内的压力脉动最强,适当的包角取值能够降低各过流部件的压力脉动幅值.针对包角为30°的透平进行试验,数值计算结果与试验结果性能曲线变化趋势一致,验证了数值模拟结果的准确性.     

混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究

采用基于气泡动力学的两相流方法,对白鹤滩水电站百万千瓦级混流式模型水轮机进行定常、非定常空化流动分析,并与模型水轮机的空化试验结果进行比较.定常空化流动计算中采取降低尾水管出口绝对压力、减小装置空化系数的方式模拟模型水轮机空化试验过程,流道内压力、速度矢量、气体体积分布分析能够较好地预测水轮机流道内空化的发展特性、叶片空穴区域和尾水涡带空腔的发展过程.非定常空化流动分析能够准确地预测叶片空化和涡带空腔随时间的变化规律以及尾水压力脉动频率,其计算出的振动频率和振幅与试验结果比较相一致,结果显示尾水管空腔涡带随空化发展对压力脉动和机组不稳定运行的影响显著增大,压力脉动也对空化较为敏感,空化越为严重,压力脉动越严重,空化的产生加剧了水轮机内部流场的水力不稳定性.     

下迷宫压力脉动对抽水蓄能机组稳定性的影响分析

水泵水轮机组的运行稳定性对抽水蓄能电站的安全高效运行至关重要。对广蓄A厂抽水蓄能机组发电工况进行了稳定性试验,深入分析了各工况下迷宫压力脉动、顶盖振动和水导轴承摆度信号之间的关系。结果表明:转频、转轮叶片通过频率及尾水管内的低频旋转涡带是引起下迷宫压力脉动的关键频率;下迷宫压力脉动信号与顶盖振动、水导轴承摆度信号高度相干,对抽水蓄能机组水平和垂直两个方向的振摆都有重要影响。     

贯流混流式水轮机的设计

介绍了贯流混流式水轮机的基本原理、水力性能、水流运动规律及其过流部件的水力设计理论，并根据这些理论进行了转轮的系列开发及实验研究，完善结构设计，推出了3个水头段8个转轮系列的小型机组，可替代中小型水电站应用最广泛的混流式水轮机。     

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.