水泵水轮机甩负荷过程流动诱导噪声数值模拟

为研究水泵水轮机甩负荷过程压力脉动特性及其流动诱导噪声,该文基于网格壁面滑行技术和DES湍流模型,对水泵水轮机发电工况下导叶关闭过程进行连续性模拟,并将流场叶片表面压力脉动信号作为声场流动诱导噪声计算声源,通过对压力脉动特性和流动诱导噪声分析得到：导叶进出口处2个无叶区内压力脉动主频位置均在叶频为斯特劳哈尔数等于0.051与1处,导叶出口处频谱值是进口处10倍之上,说明动动干涉对流态的影响强于动静干涉;当尾水管内出现2个反向旋壁涡带时,压力脉动最强烈且其幅值最大。声场分析结果表明外场噪声的主频由压力脉动主频与壳体固有频率综合决定,声压分布具有"∞"形式的指向形态,且各阶叶频处声压分布呈现出明显的对称性,说明叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性;在一阶、二阶叶频处,导叶关闭前一半阶段,流量对于外场噪声辐射能力的影响表现为大流量工况下最强,小流量工况下最弱,导叶关闭后一半阶段正好相反。     

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。     

混流式水轮机内特性模型改进及在外特性曲线拓展中的应用

混流式水轮机综合特性曲线反映了水轮机高效率区域的特性,但不满足水轮机大范围内过渡过程仿真需求,在仿真前需要对水轮机低效率及负效率区域的特性进行拓展。目前常用的拓展方法其原理均是根据水轮机综合特性曲线中各参数的变化趋势并结合飞逸特性曲线等约束进行的拓展,没能充分考虑水轮机内在规律,拓展结果过度依赖个人经验,具有较大的随意性。该文通过分析水轮机各部件的能量损失建立了水轮机能量平衡关系式,结合流量调节方程对水轮机内特性模型进行了改进。针对改进后的内特性模型特点设计了一种遗传算法与最小二乘法相结合的参数辨识方法,采用水轮机综合特性曲线及飞逸特性曲线对模型参数进行了辨识,采用辨识后的水轮机模型绘制了较大范围的水轮机特性曲线并与实测特性曲线进行了比对,并结合实测结果对误差来源及误差对过渡过程影响进行了分析。结果表明改进后的混流式水轮机内特性模型能够正确描述水轮机特性,采用最小二乘法与遗传算法相结合的方法能够辨识模型中的参数,将该模型应用在水轮机外特性曲线拓展及过渡过程仿真中,机组过渡过程中最大转速上升率相对误差从2.11%降低到0.54%,最大压力上升率相对误差从10.70%降低到9.52%,说明该模型能够减小仿真误差、减小传统方法中对个人经验的依赖,对过渡过程计算提供了参考。     

混流式水轮机特性曲线在多重边界条件下的分区方法

完整的水轮机特性曲线是水电站运行仿真和过渡过程计算的基础,然而厂家提供的水轮机模型综合特性曲线仅反映了水轮机高效率区域的特性,不能满足水轮机动态过程仿真需求.该研究提出了一种扩展方法:首先以零转速、零流量、飞逸曲线、零开度线、单位力矩交点为边界条件,作为划分特性曲线区域与约束各分区延拓范围的特征点,并依据内特性模型和外...     

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。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

铰链组局部损伤的非充气弹性车轮负荷接地及固有特性

为研究重要承载部件损伤对非充气弹性车轮性能的影响,对单组铰链组断裂前后的车轮进行了性能对比试验.采用拆除单组铰链组的方法模拟断裂损伤失效,基于台架试验对损伤前后车轮的负荷特性、接地压力分布特性及模态试验等进行了对比.结果表明:铰链组断裂损伤对车轮负荷特性的影响表现为径向刚度的下降,且与损伤所在车轮的位置有关.当损伤分别位于水平和竖直位置时,铰链组断裂损伤车轮的平均径向刚度较无损伤车轮的数值分别下降25%和35%;在相同垂向载荷作用下,铰链组断裂损伤对车轮接地压力分布的影响表现为接地印迹长度和接地面积的增大,垂向载荷为7262 N时,损伤车轮的接地印迹长度较无损伤车轮的数值增大15%,接地印迹宽度没有变化,接地面积增大;整体上无损伤车轮的固有频率大于铰链组断裂损伤车轮对应的固有频率,大多数阻尼系数小于含有铰链组断裂损伤车轮对应的阻尼系数,节点的振型幅值大于相应的损伤车轮节点的振型幅值.该研究可为提高非充气弹性车轮的可靠性设计提供参考.     

基于乏信息理论的转盘轴承启动摩擦力矩变异分析

基于乏信息系统理论探讨转盘轴承启动摩擦力矩和载荷之间的关系,以揭示启动摩擦力矩估计真值、波动范围、信息熵、变异系数和概率密度函数的非线性演变特征。在模拟试验中,采用了2种不同的转盘轴承,对每种轴承改变载荷5次,同时测量内圈表面上均布6个点的启动摩擦力矩,并对试验数据进行变异分析。试验结果表明,随着载荷的增加,估计真值非线性增大,变异系数整体上呈现非线性衰减趋势;在变异系数的非线性衰减过程中有一个敏感点,在该点处变异系数异常增大。转盘轴承启动摩擦力矩具有变量不确定性和函数多变性。敏感点的发现可以为轴承的性能改进与测量系统分析提供参考。     

基于TBR模型的高水头混流式水轮机水力性能预测

叶轮机械的瞬态计算对于捕捉转子与定子之间的周期性扰动是十分必要的。为了避免共振,转子与定子数目一般是互质的,使得周期性边界条件失效,瞬态模拟必须对全通道进行计算,以保证转子与定子之间的螺距比为1,从而确保上下游信息的准确传递,因此计算资源消耗较多。该文基于k-ωSST湍流模型,分别采用传统全通道计算方法、TBR(transient blade row)模型中的单通道PT(profile transform)方法以及双通道FT(fourier transform)方法,对Francis99混流式模型水轮机进行了性能及负荷预估,并与试验值作对比。PT方法通过在交界面上按照角度比进行变量的比例缩放而保持上下游通量的守恒,FT方法采用傅里叶级数的相变周期性边界条件来解释转子与定子之间螺距比不为1的问题,对周向边界和转静边界进行求解历史的重构。数值计算采用变量边界条件(profile boundary conditions-PC)进口给定质量流量及速度方向矢量,出口给定静压。与试验值作对比,全通道计算法、PT方法以及FT方法均能较准确地预测水轮机效率、不同测点平均压力,而且3种数值方法获得的流道内压力及叶片负荷分布差别不大。FT方法计算的叶片合力及扭矩随时间变化与全通道比较一致,仅仅在变量脉动上小于全通道,而PT方法在脉动及频率上均存在较大偏差。压力脉动频谱特性方面,FT方法与全通道主频及幅值接近,且与试验结果比较吻合,而PT方法由于交界面上变量的缩放,静止域与旋转域内均捕捉到叶片通过频率,且幅值低于全通道及试验值。此外,相同计算条件下,全通道计算、PT方法以及FT方法计算所需时间比为1:0.375:0.23。综合评估分析,FT计算结果与全通道以及试验结果一致且消耗更少的计算资源,在水轮机的瞬态计算有一定的潜力和优势。     

联合收割机负荷控制半实物仿真平台的设计

联合收割机负荷模型存在严重的非线性和参数不确定性,在负荷控制器及其控制算法的研究中需要进行大量的试验,而负荷控制器的田间实车试验存在很多制约因素,难以实现全面试验。针对上述问题,建立了由负荷反馈控制器和虚拟联合收割机对象组成的半实物仿真试验平台。基于4LZ-2.0型全喂入收割机,设计了虚拟收割机模型和相应的各种工况,为研究开发联合收割机负荷反馈控制器及其控制算法提供有效的验证环境。最后,利用此平台模拟联合收割机实际作业过程,对负荷反馈控制器进行各种工况条件下的测试,试验结果表明了仿真平台的有效性。     

水轮机调速器功率调节模式下负荷调节过渡过程稳定性研究

作为电力系统中调峰调频的骨干电源,水电机组负荷调节过渡过程稳定性对电网安全运行及源网协调意义重大。该文采用理论分析及数值仿真的方法对水轮机调速器功率模式下负荷调节过渡过程的稳定性进行了深入分析,得出了以调速器参数为变量的机组运行稳定域,并推导出满足稳定性的判别式。分析了水流惯性、接力器响应特性以及水轮机特性对稳定域的影响,得出水流惯性不利于系统的稳定,而接力器响应特性对系统稳定性有利,及水轮机特性最不利工况为水轮机综合特性系数与水轮机传递系数ey乘积值最大处。该文的研究成果能够准确地找到负荷调节稳定性的最不利工况,有效的指导水轮机调速器功率模式下参数整定,保障水电机组的稳定运行。     

基于SCADA数据的风电机组关键载荷预测

风电机组关键位置载荷预测对风电机组安全、经济运行具有重要意义。通过建立SCADA数据与载荷间的近似关系对风电机组关键位置载荷进行预测。采用BP神经网络建立SCADA数据和载荷的关系模型,利用SCADA数据与载荷间的相关性来筛选模型输入参量,采用试错法确定BP神经网络的层数与神经元数量。针对某2.5 MW风电机组的7处关键位置进行了载荷实测。研究表明,在不采用风速作为输入参量的情况下,模型的预测结果与实测结果具有良好的一致性,相对误差的均值在1.28%到15.6%之间,决定系数R2在0.951到0.882之间;与试错法选择输入参量相比,基于相关性计算的输入参量选择方法能够更高效地筛选出更多恰当的SCADA参量,从而进一步提高预测准确度。因此,基于BP神经网络建立SCADA数据与载荷的近似关系可作为风电机组关键位置载荷预测评估的有效手段。     

拖拉机动力输出轴动态转矩载荷谱编制与验证

拖拉机动力输出轴(power take-off, PTO)室内台架耐久性试验中转矩加载主要以静态加载或静态逐级加载方式为主,这种加载方式输出的载荷与PTO实际作业中承受的载荷动态特性不同,导致试验中PTO的失效形式及测试寿命与实际作业中存在差异。针对此问题,该文对多工况下PTO动态转矩载荷谱编制方法进行研究,测取了沙土、黏土2种土壤类型下旋耕、驱动耙典型作业的PTO转矩,利用希尔伯特黄算法对转矩进行预处理,采用四点循环雨流计数法对转矩均幅值进行频次统计,利用散点矩阵统计方法分析4种作业工况均值、幅值相关性及均值、幅值分布类型。基于Miner法则及轴类20CrMnTi修正S-N曲线,在损伤概率50%、相对误差5%、置信水平95%的统计条件下,确定了转矩样本容量。利用时域外推方法对PTO转矩数据进行外推。以阈值区间内峰谷值均值差的方差为指标,检验了外推过程中选取的阈值造成峰谷值均值波动的可能性。对比外推1次后载荷时间历程与原始载荷时间历程变化趋势。在时域频次外推因子为240、转矩累计频次达到106、平均加权4类转矩时,得到PTO动态转矩载荷谱。利用编制的动态载荷谱,驱动拖拉机传动系动态加载试验台对PTO进行台架耐久性试验,试验结果显示,PTO发生失效的时长为642 h,失效形式为PTO轴头花键磨损,失效时间、失效形式与实际作业一致,验证了动态转矩载荷谱的有效性。     

基于粒子图像测速技术的液力变矩器涡轮内流场测试与分析

液力变矩器是自动变速器的主要部件,其在乘用车、载重汽车、公共汽车和机车上的应用广泛。液力变矩器内部流动特性影响其外部性能,为了深入研究其内部流动特性,基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对液力变矩器涡轮内流场进行试验研究。采用帧频为1 000帧/s的CCD高速相机,在不同工况下(输入与输出的转速比分别取0、0.3、0.5、0.7)采集不同粒子直径、不同粒子浓度下的流动图像,经过图像预处理,对连续两帧图像进行互相关计算,获得涡轮径向切面的速度场和涡量场。通过对流场分布结构和流动区域上复杂流动现象的对比分析,发现投入流场中粒子浓度越高(1 500mL蒸馏水中投入2.4 g粒子)、粒子直径越小(10μm)时,识别并提取流动区域上的流动参数越丰富,流速场和涡量场信息越可靠。液力变矩器内部高梯度流场分布结构和非均匀流速场分布导致出现多尺度涡旋和反向流等复杂流动现象,造成液力变矩器内部流动能量损耗,随转速比提高,涡轮流场结构趋于规律,能耗逐渐降低。该文试验测量与分析结果对于液力变矩器结构优化和性能提升提供了参考。     

基于复合MPC算法的风电机组降载控制

随着风电机组单机容量的不断增大,风电机组的关键部件承受的载荷也越来越大,对风电机组可靠性的要求也越来越高,因此,要求风电机组控制策略与技术,既能实现功率优化控制,又能实现降载控制。研究基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)理论,设计了一种基于风电机组多控制目标的运行区间划分方法的风电机组复合模型预测控制(Multi Model Predictive Control,Multi MPC)控制器。首先建立基于Matlab和TUV GL bladed的联合实时仿真平台,将MPC控制器与传统PI控制器进行对比分析,并以DUV GL Bladed软件中2 MW双馈式风电机组非线性模型作为研究对象,对Multi MPC控制器、MPC控制器和传统的比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制器进行了降载控制仿真分析。研究结果表明,MultiMPC控制器能够减小风电机组转速波动幅度,抑制转速超调量,降低传动链的载荷;能够抑制桨距角的波动幅度和变化速率,降低变桨距机构的运行载荷,提高机组运行可靠性。     

变压器负载试验方法改进研究与分析

工程实际中对于小型试验厂或容量有限的变电站而言,如果在额定电流条件下进行变压器负载试验,需要的电源容量较大,即使利用电容补偿弥补电源容量的不足,所需补偿电容器的体积和质量也会给试验实施带来困难。该文分析了变压器常规负载试验方法及其在工程实际中出现的问题,并有针对性的提出了一种改进的负载试验方法。首先通过计算机仿真验证改进方法的可行性,继而对其进行了现场实践,并对改进方法下的负载试验参数重新进行了计算,同时将改进方法与常规方法进行参数误差分析与成本对比分析。结果表明,该文提出的变压器负载试验改进方法可在不提高电源容量的情况下,大幅减少对中间设备如补偿电容器的限制,从而提高试验操作的效率及试验厂站的经济效益,又可满足工程实际精度要求,因此可以作为常规变压器负载试验的一种延伸和发展。