不同空化条件下轴流泵反向发电压力脉动特性研究

以南水北调某泵站为模型,对该泵站大型轴流泵反向发电发生空化条件现象进行全流道数值模拟。对反向发电工况下空化现象进行定常与非定常研究,并与试验结果做比较,得出了水泵反向发电时发生不同空化条件下的气泡体积分布规律,并预测了叶片发生空化的发展特性。在反向发电工况下对三个监测面的压力脉动进行研究,得出压力脉动幅值在导叶进口处最小,转轮出口处幅值最大,约为转轮进口处7倍,水流受转轮转动影响严重,主频为转频。不同空化数下转轮前后的压力脉动幅值随着空化系数减小而增大,压力脉动主频不受空化系数影响。空化数越小,叶片受到的径向力减小,轴向力增加,加剧转轮的不稳定性。为确保轴流泵反向发电运行的稳定与高效,应使得装置在较高的空化系数下运行。     

大型立式轴流泵变频反向发电压力脉动特性分析

为研究水泵在反转发电时,转速对水泵性能的影响,对水泵在变频反向发电工况下进行全流道数值模拟。可知:水泵在进行反向变频发电时,流线较一般水轮机流线图分布差,出转轮部分水流出现絮乱;压力脉动幅值在出转轮处最大,进转轮处次之,进导叶时最小,最大压力脉动系数为0. 56,约为进转轮的20倍。压力脉动幅值沿转轮中心向转轮边缘逐渐增大,边缘处压力脉动系数约为转轮中心处的8倍;水流受转轮转动影响严重,进出转轮截面水流压力脉动主频为叶频,次频为转频。     

后置灯泡贯流泵压力脉动特性数值模拟

为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律,通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析,结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显,叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响,叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频,叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势,叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况,主次频未发生明显变化;非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况,各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍,且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大,长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率,泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。     

抽水蓄能机组工况转换过程中无叶区压力特性

抽水蓄能机组无叶区压力脉动是机组及厂房振动的重要振源之一,尤其在工况转换过程中对厂房及机组振动起到决定性作用。考虑到工况转换过程属于典型的非稳态时变过程,本文采用时域混频幅值方法与时频分析中的短时傅里叶分析方法对抽水方向调相转抽水与发电方向调相转发电过程中无叶区压力信号进行了分析。研究结果表明:工况转换时无叶区水环吸收功率受球阀工作密封投退影响,工作密封退出后至顶盖排气阀关闭前时间段内吸入功率恒定,不受排气回水过程影响。工况转换时,因密封退出导致水环增厚,恶化了无叶区压力脉动情况。抽水方向调相至抽水工况转换与发电方向调相至发电工况转换时,无叶区压力脉动分别在转轮造压过程中和小负荷区达到最大值。工况转换过程中,无叶区存在明显的动静干涉频率和一倍叶片过流频率。一倍叶片过流频率均起源于球阀密封退出瞬间,抽水方向调相转抽水时动静干涉频率起源于尾水与转轮接触时,而发电方向调相转发电时动静干涉频率与一倍叶片过流频率同时产生。     

叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响研究

为了研究叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响,以一台比转速为103的中比转速离心泵为研究对象,探讨叶片包角分别为116°、122°、128°的3种离心泵在不同的流量工况下的外特性特征,设计流量下叶轮流道、蜗壳流道内监测点的压力脉动特性。研究结果表明:存在一个最佳的叶片包角122°使中比转速离心泵的扬程和效率最高,且最佳效率点向大流量点偏移;叶轮流道内各监测点的压力脉动随叶片包角的增大而逐渐降低,而各压力脉动幅值随叶片包角的增大而逐渐增大;蜗壳螺旋段内的压力脉动值沿流体流动方向逐渐减弱;随着叶片包角的增加,蜗壳流道内监测点的压力值逐渐增大,隔舌监测点和出口处监测点的压力脉动幅值也同步增大,而蜗壳螺旋段内监测点的压力脉动幅值逐渐减小。综合考虑适当地增大叶片包角可以减小离心泵的水力振动。     

水泵水轮机极小开度反水泵工况压力脉动与内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,水轮机工况启动时机组常不能由空载直接带负载,容易进入反水泵区,导致机组并网困难。本文以模型水泵水轮机为对象,对极小导叶开度下的多个反水泵工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨极小导叶开度下反水泵区机组的非定常流动特性。数值计算采用SAS SST-CC湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与模型试验数据吻合较好。对流量较小的工况进行非定常计算,旋转转轮9个叶道各8个测点的压力脉动结果显示,相似位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,峰峰值的差异最大达到4.2%,说明此时转轮内的流态分布很不均匀。测点离导叶越近,低频脉动的主频从0.19 fn逐渐增加到1.07 fn;动静干涉引起的20 fn脉动幅度会逐渐增强,但转轮出口位于出流与入流过渡区的测点趋势则不同。结果显示在反水泵工况区运行,转轮各叶道间的流态分布极不对称,充满了严重的流动分离和漩涡。     

水泵水轮机在S特性区的流态及压力脉动研究

抽水蓄能机组的四象限特征曲线存在着S形曲线,抽水蓄能机组运行工况复杂,机组经常在多个工况之间转换,机组在水轮机和水泵状态之间频繁切换,都会穿越S形曲线。S特性可以导致水泵水轮机机组产生强烈的振动,使得机组并网困难,振动剧烈,甚至因压力超标严重影响电站的安全稳定运行。在业界的共同努力下,S形问题对工程投运影响已经得到了根本解决,但是S形问题的诱发机理并不十分清楚。因此该文以某模型水泵水轮机为研究对象,通过全流道非定常数值模拟和基于全特性试验的粒子图像测速法（particle image velocimetry,PIV）相结合,根据机组的运行特性,选取水泵水轮机三个开度下的13个工况点内部流动特性及压力脉动特性进行了研究。综合数值模拟及试验结果,获得空载工况,小流量工况及反水泵工况下无叶区漩涡的运动规律。分析了漩涡结构对无叶区压力脉动特性的影响。结果表明,空载工况对S特性区压力脉动幅频特性存在影响,空载工况与无叶区压力脉动存在必然联系。各工况点下无叶区压力脉动主频大部分工况为叶片通过频率,即9 f_n（f_n为转频）,部分工况受尾水管压力脉动影响主频...     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

大流量低扬程水泵无叶区非定常流动特性研究

本文是东方电机为珠江三角洲水资源配置工程的鲤鱼洲和高新沙泵站开展水力开发的部分工作,主要研究水泵在最优工况和大流量工况无叶区的非定常流动特性,为泵站的稳定运行提供依据。非定常计算结果显示,无叶区压力脉动主要受动静干涉影响,脉动幅值较小(最优工况不高于4%,大流量工况不高于7%),因此满足工程稳定运行需求。压力脉动主要频率是叶片通过频率及其倍频(7倍转频及其倍频)。相比于最优工况点,大流量工况点转轮出口的速度沿周向的分布更复杂,因此压力分布也复杂,压力脉动幅值也更大。本文的计算结果与模型试验结果比较吻合,从而说明计算的可靠性。     

水泵水轮机内部流态特性及预应力模态分析

为研究抽水蓄能电站中水泵水轮机在不同水头下水轮机工况的稳定性,应用ANSYS Workbench平台进行了全流道数值模拟,研究了水泵水轮机的压力脉动机理并开展预应力模态分析,将模拟结果与试验结果对比,验证其可靠性。计算结果表明：额定水头下水泵水轮机流态较好,水流涡带现象与水压力脉动关联紧密,各部件监测点采集到的压力脉动呈现出一定的周期性;压力脉动的主频多为转频及其倍频,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;预应力下转轮的固有频率与各部件水力激振频率相差较大,因此发生共振的可能性较小。研究结果对水泵水轮机振动诱因分析及提高运行稳定性具有参考价值。     

大型混流式水轮机组尾水管压力脉动模型试验研究

为研究大型混流式水轮机组尾水管压力脉动,选择了不同的水头和导叶开度组成不同的工况稳态和过渡过程工况.研究表明,稳态工况下,压力脉动的频率主要受导叶开度的影响,相同工况下,压力脉动频率非常相近;不同频率对应的振幅中,频率为3 Hz左右的振动振幅明显比其他频率对应的振幅大;水头对振幅的影响,高水头比中低水头的大.在过渡过程中,2台机组先后甩负荷时,震荡波明显大于1台机组甩负荷的情况.1台机组甩负荷过程中,水头对震荡波影响不大.不同半径处的压力脉动在导叶刚关闭时会有所不同,有些半径处的压力脉动会出现短时间的突然增加,这个值甚至大于震荡波中最大的压力值.     

基于CFD的水轮机全流道水力振源特性分析

基于CFD数值分析方法,结合工程实例,对水轮发电机组额定工况下的多振源水力振动特性进行了分析。分析结果表明,额定工况下,蜗壳、导叶和转轮部位脉动压力呈均匀对称分布,蜗壳部位的脉动压力最大;脉动压力的时域特征较为复杂,转轮进口、叶道间、转轮出口的压力值依次递减;脉动频域主高频均为2. 5 Hz,在转轮进口处还存在53. 4 Hz的副高频;转轮的偏移幅值大于转子;模拟轴心偏移与实测轴心偏移数值结果吻合,可为水轮发电机组水力振动问题的研究与控制提供参考。     

蜗壳式混流泵压力脉动特性研究

基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法,对混流泵内部流场进行非定常数值模拟,分析不同工况监测点上压力脉动的时域特性和频域特性。取定常计算的外特性与实验值对比,对比结果为不同工况的扬程偏差均小于5%,证明该数值模型能准确地描述泵内流场特征。结果表明:叶片进口处水流冲击产生的回流和漩涡是引起叶轮内压力脉动的主要动力源,叶轮与蜗壳间的动静相干作用是产生蜗壳内压力脉动的主要动力,并且在向下游传播过程中,压力脉动逐渐减弱,叶频占主导地位,在小流量工况运行时,主频有向叶轮转频迁移的趋势,大流量工况下最大压力脉动发生在转轮中间位置;叶轮内的压力脉动要远远高于蜗壳,这是引起机组振动和噪声的主要来源。     

水泵水轮机反水泵工况区压力脉动特性分析

为研究水泵水轮机反水泵区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流方法(detached eddy simulation,DES),对水泵水轮机反水泵工况进行了数值模拟。探讨了全流道三维湍流场特性,并与试验结果相对比,分析了水泵水轮机在反水泵工况区压力脉动特性。结果表明,反水泵工况下,转轮与导叶之间和尾水管内的主频均为0.143倍转频,主频幅值占混频幅值比例分别达到12%和34.6%。通过流场分析,发现尾水管锥管段内的螺旋形涡带结构是导致这种低频脉动的主要原因。同常规运行工况相比,反水泵工况区的不稳定流场会导致压力脉动相对幅值的突增,引起机组剧烈的振动,严重影响机组的安全运行。     

灯泡贯流式机组转轮室裂纹原因分析与处理

转轮室是灯泡贯流式机组重要的过流部件,是转轮进行能量转换的重要场所。机组运行过程中由于过流造成的卡门涡带、狭缝射流、压力脉动等不利因素,贯流式机组转轮室容易出现汽蚀与裂纹等质量缺陷。1F机组转轮室裂纹经过处理之后,机组在各种工况下运行时,检查转轮室本体及加固筋板无裂纹产生,各焊缝均无开裂,运行状况良好。     

马马崖一级水电站水轮机调节系统大波动过渡过程分析

马马崖一级水电站发电引水系统中的流量瞬间变化较大,致使水轮机调节系统产生大波动过程,从而引起机组转速升高、蜗壳压力升高、转轮出口压力降低,对于机组及过水建筑物影响很大。根据施工图纸、机组及调速系统资料,对水轮机调节系统大波动过渡过程进行复核计算,分析蜗壳最大压力升高值、机组转速最大升高值和转轮出口最低压力值的发生工况及其影响,为该水电站的启动调试和后期运行提供了依据。更多还原     

基于水力振源合理施加的水电机组轴系统振动分析

水力振源诱发机组厂房结构振动,影响机组发电效率,甚至威胁其正常安全运行。合理模拟机组振源是研究预测及解决机组厂房结构振动问题的关键。通过CFD(计算流体动力学)数值模拟,提出一种水轮机转轮叶片表面脉动压力的更为合理的计算和施加方法,并综合考虑电磁和机械振源的耦合作用,对所建立的三维水轮发电机组转子-轴承系统模型进行了振动分析。研究表明:通过CFD能够获得可信的转轮表面处各点脉动压力时程,脉动压力对轴系统振动响应的影响不可忽略,对其合理的模拟和施加是必要的。此外,进行了电磁不平衡拉力与机械不平衡力相位差对轴系振动响应的敏感性分析。研究结论可为水电机组及厂房设计运行及振动预测控制等提供参考。     

部分负荷下混流式水轮机尾水管压力脉动试验

为解决严重的水力机组振动问题,进行水轮机尾水管内部水流压力脉动模型试验,在直锥段内部安放传感器,在尾水管边壁安放传感器,在部分负荷下测定不同工况水压力脉动在波形及频谱上的变化规律。试验结果表明,尾水管内压力脉动在不同工况及不同位置下均不相同,直锥段内压力脉动与转轮出口流态密切相关,弯肘段压力脉动在幅值上与直锥段压力脉动略微不同,两种测点布置的结果略微不同,实际测量时需按情况选择测量方法。     

大型竖井贯流泵多工况水力稳定性及其动应力分析

水泵的水力和结构稳定性直接决定着水泵的运行效率和安全性。为此,建立了南水北调二级坝竖井贯流式泵站的全流道三维模型,利用CFD方法模拟了不同工况下水泵内部流动,研究了水泵内部压力脉动特性,并探究了压力脉动和动应力的内在联系。通过在叶轮进出口过流面设置压力监测点,得到了叶轮进出口的压力脉动时频域特性。结果表明:(1)水泵叶轮进出口的压力脉动呈现周期性波动,其主频分别是叶轮叶片通过频率和后导叶通过频率,且出口压力脉动幅值明显大于进口,说明引起压力脉动的原因是叶轮的转动和后导叶与叶轮叶片之间的动静干涉,且动静干涉的影响较大;将叶片上水压力荷载加载到结构中,获得了叶轮的动应力时频特性。(2)对不同工况下的压力脉动与动应力计算结果进行了分析,结果表明应力最大值点位于叶片根部,与静应力计算结果相同,且应力值始终满足结构强度要求,动应力最大值在时域上呈现出周期性,其幅值在静应力附近波动,飞逸工况下的动应力波动较大;动应力频域分析显示,动应力的主次频分别为叶轮叶片通过频率和导叶通过频率,这表明水泵的水力激振力是导致动应力波动的主要原因。