水泵水轮机泵工况空化特性与转轮受力分析

为研究水泵水轮机在水泵工况运行时的空化特性及转轮受力情况,以某一抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,进行不同空化数下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与实验结果进行对比验证,探讨了转轮及活动导叶中间流面的湍动能分布、叶片上的气泡体积分布和载荷分布,并定量分析了转轮受力情况。结果表明:数值分析结果成功捕获了空化的具体发展过程;随着进口总压的降低,转轮出口的湍动能逐渐增加,空泡首先在叶片吸力面靠近前缘处产生,然后沿流线向出口方向和叶片压力面扩展;由于动静干涉及蜗壳形状的不对称性,转轮径向力变化的周期性和对称性逐步被破坏,揭示了低空化数下水泵水轮机在水泵工况运行时性能变差的主要原因。     

水泵水轮机水轮机工况转轮流动特性分析

为了揭示某高水头水泵水轮机转轮区域流动特性,选取三个典型水轮机工况,基于N-S方程和SST湍流模型对模型水泵水轮机进行三维全流道非定常数值计算,研究不同水轮机工况下转轮区域的流动特性。结果表明:小流量工况下,转轮流态紊乱,有明显的旋涡,最优工况和大流量工况下,由于流量增大,转轮内流态明显改善,流线均匀顺畅;转轮流道内压力在圆周方向上对称分布,沿着流道方向压力逐渐减小,叶片出口附近存在不同范围的负压区域,由于小流量工况转轮内部水流紊乱使得负压区域较其余工况大;长短叶片靠近上冠处压力脉动呈周期性变化,受动静干涉效应影响,叶片进口处压力脉动剧烈,长短叶片在进出口处脉动变化规律一致,长短叶片进口处脉动频率皆以16倍转频为主,出口处皆以1倍转频为主。以上结论可为高水头水泵水轮机在水轮机工况下的高效运行提供一定的参考。     

水泵水轮机制动工况导叶区流动特性分析

为研究水泵水轮机在水轮机制动工况运行时导叶区域产生异常紊动的内流机理,在完成S区特性试验的基础上,基于SST k-ω湍流模型及SIMPLEC算法,对活动导叶小开度制动工况进行非定常数值计算,并与试验数据进行对比验证,对此工况下水泵水轮机导叶区域流场结构和压力脉动规律进行了全面分析.研究结果表明:固定导叶与活动导叶后均存在不同程度的尾迹结构,活动导叶后涡系结构的演变和能量转化是诱发导叶区流动不稳定的主要原因之一;活动导叶进口的复杂流动也增加了冲击损失,对导叶振动造成一定影响;对活动导叶区的压力脉动监测进一步佐证了导叶区流动的不稳定性;通过对时域特性和频域特性的分析发现其相对幅值达到了水轮机及水泵正常运行工况的3倍以上,其主频为叶频,幅值较大且属中频成分,可能引发共振效应.研究结果可为水泵水轮机设计优化提供指导意义.     

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.     

水泵水轮机启动过程转轮动应力分析

启动过程中转轮的动应力特性是评价水泵水轮机组稳定性的一个重要指标.为分析某原型混流式水泵水轮机组在水轮机模式启动过程中转轮的振动响应,重点分析水力激励力的瞬变特性对动应力的影响,首先针对水轮机启动过程选取不同转速工况点分别进行了稳态和局部瞬态动应力计算,然后结合转轮固有模态和动静干涉理论分析了异常振动产生的原因.其中,...     

水泵水轮机水轮机工况大流量区数值分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况大流量区域的流场特性,依据某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机进行建模,分别采用结构化和非结构化2套网格,基于剪切应力传输模型SST k-w和SIMPLEC算法对该区域流场进行了模拟,并与试验结果进行了比较验证,详细分析了大流量下转轮内部流动特性.结果表明：水泵水轮机进入大流量区后,由于流体相对转轮速度的不断提升,转轮流道内生成了周期性分布的涡结构并且涡结构不断增大,向流道出口边延伸,引起能量损失,导致转轮叶片压力面上流体速度的上升,进而对数值计算的网格质量提出了较高的要求,揭示了大流量区计算难度高的内在原因.结论可为水轮机工况大流量区域的数值计算和流场分析提供了理论依据.     

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。     

水泵水轮机泵工况转轮流场分析

基于三维定常N-S方程和标准κ-ε湍流模型,采用贴体坐标、结构化网格和基于有限体上的有限元法,对400 m水头水泵水轮机模型转轮泵工况进行内部流场模拟.通过转轮内部有限体上的速度、压力积分求解转轮扬程、净正吸出高度和效率,从而预测转轮泵工况的能量、扬程及空化性能,并对转轮的内部流速分布、涡分布和叶片压力分布进行了分析研究.     

水泵水轮机在水轮机工况的导叶水力矩特性

在进行水泵水轮机最高水头的水轮机工况导叶水力矩试验的基础上,使用计算流体动力学方法分析与试验工况相对应的流场特性.选取标准k-ε两方程模型进行定常数值模拟,使用SST k-ω两方程模型进行非定常计算分析内流场特性.计算结果表明：水力效率的数值模拟结果和试验值的误差在允许范围之内;在各开度下,导叶水力矩因数模拟结果和试验结果吻合较好.通过内流场分析发现,在小开度时（A0=13mm）,无叶区和转轮流道中都存在回流和旋涡导致流动不稳定,在最大开度时（A0=49mm）,活动导叶背面靠近尾缘处容易出现边界层分离,力矩值与导叶附近的压力值随时间的变化规律相似,且力矩因数值呈周期性小幅波动.     

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.     

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。     

水泵水轮机泵工况轴向力特性分析与改善

水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件,水泵水轮机的轴向力特性对其运行稳定性与安全性具有主要影响。作为一种典型的立式机组,为防止抬机事故的发生,机组转轮部分需要具有向下的轴向力,但在泵工况下,该轴向力容易过大,并可能引起机组下沉。采用计算流体动力学方法,研究分析抽水蓄能水泵水轮机泵工况不同流量与活动导叶开度下的轴向力特性。研究结果表明,在泵小流量、小导叶开度、高扬程的工况下,向下的轴向力较大;采用对称布置的均压管路连接转轮上冠腔体与尾水管,轴向力变为轻微向上,扬程与水力效率无显著变化,有效解决了机组泵工况向下轴向力较大的问题,机组运行的安全性与稳定性得到了显著提高。     

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.     

水泵水轮机转轮三维反问题设计与特性研究

采用全三维反问题设计方法,按照水泵工况确定设计参数,从水轮机方向进行流场计算,完成某一中高水头水泵水轮机转轮的水力设计。针对设计开发的转轮,通过模型实验测试其在不同运行工况下的性能。结果表明,设计的水泵水轮机转轮在水泵工况下的最高机组效率达到91.34%,且机组运行平稳;水轮机工况的最高机组效率为88.5%。基于全流道粘性数值计算的转轮内部流动分析表明,水泵工况下,水流光顺地通过流道,转轮内部流动损失较小;水轮机工况下,转轮进口附近存在较严重冲击损失且叶片背面低压区面积较大,影响转轮的作功能力。     

原型水泵水轮机在泵工况驼峰特性研究

为了研究水泵水轮机驼峰区的流态变化,在活动导叶为15°开度下,采用SST k-ω模型对原型水泵水轮机在泵工况下的三维定常湍流进行数值模拟。结合实验数据,分析了驼峰区内不同流道位置随着流量的减小,水泵水轮机流场的变化规律。结果表明,机组在驼峰区运行时,隔舌附近活动导叶压力面与固定导叶吸力面之间的流道会有漩涡生成,随着流量的减小,涡的运动区域不断向整个双列叶栅流道扩散,当进入小流量低负荷区时,漩涡主要集中在叶轮出口和活动导叶进口的流道。通过对旋度场的观察与分析,发现在驼峰极小值工况处,强旋度区主要集中在整个双列叶栅,在小流量低负荷区,强旋度区主要集中在叶轮出口和活动导叶进口。     

可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性

为了研究可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性,通过非定常分离涡模拟（DES）的方法,计算不同流量工况下机组的内部流场特征.根据机组对应工况下的模型试验,对机组流道中的流态特征进行对比分析,特别对扩散流道损失以及转轮与导叶之间的动/静干涉现象进行研究,探讨驼峰特性产生的具体原因.结果表明：机组在小流量工况下运行时,转轮出口流动呈现明显非对称性;紊乱的流动特征引发转轮内部与扩散段中产生涡结构与二次流结构;由于不良流态的出现,过流部件水力损失显著上升,并引发扬程的下降,导致机组形成扬程-流量曲线的驼峰区域.因此,改善小流量工况下转轮内部流态对于改善水泵水轮机驼峰特性具有重要的作用.该研究内容阐明了驼峰特性对水泵水轮机造成不良影响的机理,对改进机组水泵工况的水力性能提供了参考与帮助,对于水泵水轮机的稳定运行具有重要意义.     

部分负荷工况下水泵水轮机的空化特性

为研究部分负荷工况下水泵水轮机空化系数改变对内流特性的影响,采用RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对某抽水蓄能电站模型机进行了全流道非定常空化流动数值计算,并分析了机组处于不同空化阶段时的水力性能及内流状态.研究结果显示:逐步发展的空化会引起水力效率降低和轴向力显著增大;部分载荷时,空化产生的涡带起源于泄水锥处,呈螺旋形向下游低速运动;随着空化系数的减小,涡带形态逐渐由细变粗,低压区覆盖范围向外扩展,沿半径方向的速度变化更加急剧.在空化涡带旋进的过程中,流道内出现了严重的二次回流,主流沿着锥管壁面向下游推进,引发壁面的冲撞而引起激烈的振动,这种结果对机组的稳定高效运行非常不利.     

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.