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。     

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。     

基于双向流固耦合的贯流式水轮机动力特性分析

为了深入研究流固耦合作用对贯流式水轮机转轮动力特性及内部流场的影响,文中采用商业软件CFX和ANSYS APDL对贯流式水轮机流体域和固体域进行耦合求解,分析了耦合作用对结构应力及应变的影响,并将耦合数值计算得到的转轮外特性与实测值进行了对比。结果表明:考虑耦合作用后,转轮的效率、水头与耦合前相比都有不同程度的下降,最大值分别为0.6%、0.21 m。同时在靠近叶片出水边轮缘附近,耦合后压力面与吸力面压力差有所下降,说明耦合作用会降低转轮的水力性能。2种耦合计算方法求解得到的叶片的等效应力分布基本一致,应力集中都出现在转轮叶片与枢轴法兰联接处,同时双向耦合下最大等效应力的主频与单向耦合相比有明显下降的趋势,由于双向耦合考虑了结构在运动过程中周围水体与结构的相互影响。该研究为实际工程中准确地进行转轮的水力性能预估和叶片结构在水中瞬态响应计算提供了参考。     

基于熵产理论的超低扬程双向卧式轴流泵装置飞逸特性

超低扬程的泵站常具有双向输水的需求,因而双向水泵装置在双向运行工况下都具有发生飞逸事故的风险。为研究泵装置在正反向飞逸过渡过程的差异性,该研究建立双向低扬程卧式轴流泵全过流系统,采用流体体积函数法分析上下游水气两相分布,利用力矩平衡方程推导叶轮实时转速,并结合熵产理论进行分析。结果表明：对比熵产计算与模型试验得到的扬程损失,在正反向工况下误差均在3%以内,验证了数值模拟及熵产计算的准确性;叶轮扭矩的波动频率受叶频控制,且正向飞逸工况下扭矩波动的幅值更高;总计算域中直接耗散熵产占主导地位,湍流耗散熵产次之,壁面耗散熵产最少;各计算域中叶轮的总熵产值最高,源于较大的速度梯度和强烈的动静干涉作用;轴流泵进入稳定飞逸状态下,正向飞逸工况扭矩的波动幅值明显高于反向飞逸工况;零流量时刻下,涡核与熵产率分布相似说明涡核的聚集与漩涡的演变是流场产生明显能量损失的原因。研究可为分析机组的瞬态特性提供一种思路。     

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。     

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...     

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。研究结果表明：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带转为螺旋状涡带,之后又转变为幕布状涡带的过程。涡带的持续存在和动态变化不仅诱导了压力径向分布不均,也是导致压力波动剧烈的主要原因。研究成果可为提高抽蓄电站机组低水头起动并网成功率提供参考。     

油门开度对Helmholtz型脉动燃烧器温升特性影响的模拟与验证

为研究脉动燃烧器燃烧室外温度场的温度变化规律,以Helmholtz型脉动燃烧器为热源,建立了5种油门开度条件下燃烧室中心横截面内的空气温度场模型,进行了二维非稳态数值模拟。对热源的升温规律进行了拟合,拟合结果与实测温度的最大绝对误差为5.2℃,最大相对误差2.2%,应用Fluent的UDF接口将热源的升温规律添加到模型中,该模型与实际情况吻合较好,平均相对误差在2.68%~5.54%之间。研究结果表明:燃烧室外温度场升温过程呈"S"型,同一方向上距离燃烧室越近,到达峰值温度所需时间越短,同时升温速率与峰值温度也越高。在与燃烧室中心距离相等的各点中,燃烧室上方的点的升温速率和峰值要高于燃烧室右方及下方的点。在密度差作用下,燃烧室外流场气流由下向上运动,经过燃烧室时产生卡门涡街,致使模型中燃烧室上方温度场出现周期性震荡,随着旋涡向上运动,对温度场的影响也逐渐减弱,温度振幅逐渐降低。该文可以了解以油或水为加热介质的脉动燃烧加热器内部温升过程,为优化加热器内部热源结构设计提供参考。     

水轮机槽道内导叶动态绕流水力特性大涡模拟分析

为进一步探索水轮机导叶在调节过程中产生强瞬变流时水流和导叶间的非线性流固耦合机理,该文基于大涡模拟和二维瞬态N-S方程,应用ANSYS FLUENT软件中的任意拉格朗日-欧拉动网格技术和非迭代时间推进格式对槽道内导叶的关闭运动过程进行数值模拟,研究导叶绕流后的流场动态变化水力特性及涡激振动特性。结果表明:导叶关闭过程中槽道内的压力场、速度场、涡量场呈现出明显的非定常特征;卡门涡频率约为水轮机转轮转频的0.3倍,极易诱发低频压力脉动,随着关闭时刻的结束导叶后尾迹涡形态呈现出明显的卡门涡脱落过程;关闭过程中转动导叶的升、阻力系数随时间表现出非线性动力响应特征。揭示了低频压力振荡的产生与导叶调节关闭动作后导叶尾部的卡门涡列有关,卡门涡列诱发的非线性流激振动是影响水轮机水力稳定性和上游管道系统水力共振的主要因素。该方法可为有效模拟水力机械瞬态非线性流固耦合问题提供参考。     

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。     

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。     

基于直流电动机的小型风力机仿真建模及实验

在实验室环境下构造风力机模拟系统对于风电机组开发具有重要实用价值。以风力机能量转换原理为基础,分析了小型风力机运行特性的数学模型、风力机的功率和转矩特性,并论证了直流电机模拟风力机的可行性。以数学模型为基础,详细分析了直流电动机模拟风力机的转矩控制和转速控制方法,并通过建立仿真模型和实验系统对理论分析进行验证。结果表明,采用双闭环调节的转速控制方法具有较高的精确度、较快的动态响应和更宽的模拟范围,可以方便地应用于实验室环境下风力发电技术研究。     

采用熵产理论的离心泵断电过渡过程特性

该文对商业软件ANSYS CFX进行二次开发,通过自定义函数求解角动量方程获取实时转速,建立了模拟离心泵事故断电过渡过程的三维瞬态数值计算方法,获得了离心泵外特性参数瞬变规律以及内部流场的动态特性。进一步采用熵产理论获得了离心泵事故断电停机飞逸过程中过流部件流场能量损失分布情况,并对流场内随时间变化的能量损失进行定量评估。结果表明:在整个事故断电飞逸过程中,熵产与离心泵外特性之间存在着明显的相关性,能量损失的产生与流场内部的流动分离、回流、漩涡等不良流动现象相关;叶轮、导叶与引水管的主要损失均是由湍流耗散引起的,其壁面熵产占总熵产的10%~15%左右,不可以忽略,而蜗壳区的损失则主要是由近壁面处的强壁面效应引起的;通过分析各部件流场局部熵产率分布随时间的变化情况,可以得出在制动工况中内流场的高损失区域最大。     

基于实测甩负荷的水轮机力矩特性曲线拟合

水电站过渡过程计算中,水轮机特性曲线对计算结果有着十分重要的影响。由于水轮机模型试验得到的综合特性曲线仅包含了水轮机工作的相对高效率区、导叶大开度下水轮机特性,无法满足甩负荷过渡过程计算的要求,需要对特性曲线进行拓展得到水轮机在导叶小开度区、低效率区及制动工况区的特性。目前对于水轮机特性曲线的处理主要根据经验和数学方法对力矩特性进行拓展和拟合,其仿真结果与实测结果存在较大的差异,无法满足对甩负荷过渡过程精确仿真的要求。虽然通过内特性或CFD的方法能够增加水轮机特性的仿真精度,但是需要能够获得详细及准确的水轮机结构及尺寸参数,实际情况中这些参数往往无法准确获取,不利于工程应用。该文基于真机甩负荷实测结果对水轮机力矩特性曲线的拟合进行了研究,通过甩负荷实测数据得到导叶零开度线下的水轮机力矩特性,结合最小二乘法对整个力矩特性曲线进行拓展和拟合。将利用该处理方法得到的水轮机力矩特性曲线与传统处理方法得到的结果进行对比,结果表明,在导叶大开度、高效率区及水轮机正常运行范围内2种特性曲线基本重合,而在导叶小开度下2种特性曲线存在较大的差异,原因在于本文中零导叶开度线上的力矩特性通过甩负荷实测结果得出其更加精确,零导叶开度线力矩特性的差异导致了特性曲线拟合中边界条件的不同。利用本文处理方法得到的特性曲线对不同调速器参数下的甩负荷过渡过程进行了计算,并分析了调速器参数对甩负荷过渡过程的影响,计算结果表明,调速器参数对甩负荷中导叶开度的快关过程和机组转速的上升下降过程无影响,其主要影响机组转速接近稳态后的调节过程,调速器参数设置不当会造成调节系统的调节品质变差,甚至会导致水轮机调节过程失稳。分别采用2种特性曲线对水电机组甩负荷过渡过程进行仿真,并将仿真结果与实测结果进行对比,结果表明,相比传统处理方法得到的特性曲线,本文处理方法得到的特性曲线能更准确反映机组在导叶小开度下的力矩特性,机组频率仿真结果中,传统特性曲线计算结果与实测结果最大偏差达到了15.74%,本文特性曲线计算结果与实测结果最大偏差为1.05%;导叶开度仿真结果中,传统特性曲线计算结果与实测结果最大偏差为36.07%,本文特性曲线计算结果与实测结果最大偏差为9.74%。通过对比可以看出,本文所提出的特性曲线拟合方法可大大提高甩负荷过渡过程计算精度,能够有效指导水电机组的安全运行。     

可逆式水泵水轮机“S”形区域内部流场特性分析

抽水蓄能电站在现代社会中发挥着越来越重要的作用,也是衡量一个国家能源利用效率和清洁能源使用率的重要指标,但其装设的可逆式水泵水轮机全特性曲线上的"S"形区域,给机组的稳定运行带来了巨大的挑战,会出现启动成功率低、工况转换和并网困难等一系列问题,致使难以最大程度的发挥抽水蓄能电站的作用。该文以宝泉抽水蓄能电站的1#水泵水轮机为研究对象,通过"S"形曲线的试验值和计算值的对比,证明了通过CFD计算确能反映机组"S"特性的基本特征;通过对2个开度下4个工况的数值计算,分析了蜗壳与固定导叶、活动导叶与转轮以及尾水管内的流线分布情况;通过对10个导叶开度下飞逸工况的数值计算,对比分析了水头变化与"S"特性之间的关系;基本掌握了机组内部流道流态的变化趋势和规律,指出了涡流造成的流道拥塞是形成"S"特性的重要原因;说明了可通过后期干预和改善水力设计来消除或减小"S"特性的影响,并分析了两者各自的特点;提出了当前可行的运行建议,为机组的稳定运行和"S"特性的深入研究提供了技术支持。