轴流转桨式水轮机特性神经网络三维建模

针对轴流转桨式水轮机复杂的非线性特性以及水力机组过渡过程仿真计算所需的水轮机流量与力矩特性难以准确描述的情况,介绍了基于BP神经网络的轴流转桨式水轮机特性建模方法：利用BP神经网络强大的非线性数值逼近功能,由已知的综合特性曲线、定桨特性曲线、飞逸特性曲线得到离散数据以及边界约束条件,建立轴流转桨式水轮机流量和力矩特性模型,对导叶小开度区、低转速区和高转速区等未知区域进行三维曲面延拓。建立导叶桨叶三维协联特性模型,以提高水轮机特性曲线数据处理的精度。     

轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟

通过作者建立的非稳态过程三维湍流数值模拟方法,模拟了轴流式水轮机模型飞逸过程,并进行了其三维数值湍流计算,获得了机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。计算结果表明,所得最大飞逸转速与试验值非常接近,误差在1.5%以内;所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性;当转速增大到某一数值之后,尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。     

模型轴流式水轮机飞逸过程三维CFD数值模拟

水轮机飞逸参数的准确计算直接影响水轮发电机组的造价与安全，是水电工程设计的重要内容之一。针对现有数值解法在水轮机飞逸过程计算中，计算精度较低，无法直观反映流场内特性，本文建立了一种非稳态过程三维CFD数值模拟方法，并以某模型轴流式水轮机飞逸过程为例，进行了三维数值湍流计算，获得了模型机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。对上述计算结果进行分析比较可知，计算所得最大飞逸转速与试验值非常接近，误差在1.5%以内；所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性；当转速增大到某一数值之后，尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。     

轴流转桨式水轮机断流反水锤的研究

针对轴流转桨式水轮机组在甩负荷过渡过程中导叶快速关闭时出现的断流反水锤问题,采用试验与理论分析的方法对发生断流反水锤的界面和临界压力进行了研究。研究结果表明:轴流转桨式水轮机在甩负荷过渡过程中发生断流反水锤的界面是导叶后的断面,而不是尾水管进口断面。总体来说,尾水管进口断面水压在甩负荷过程中是升高的,而导叶后断面的水压随导叶关闭急剧下降。对不同含沙量水的临界空化压力的测定表明,水的临界空化压力远高于常温下清水的汽化压力值0.24m水柱,而且随着含沙量的增大,水的临界空化压力值有所提高。因此,要使用电站实测水质的临界空化压力值来作为判断发生断流反水锤的临界压力。     

浅谈影响轴流转桨式水轮机稳定运行的若干因素

水轮机良好的运行稳定性是减少电站维护工作量、提高电站经济效益的关键。笔者结合以往水轮机设计实践经验,总结出影响轴流转桨式水轮机稳定运行的三大因素:水力因素、结构因素及电站运行条件因素,具体包括空蚀性能、压力脉动、水力矩、导叶与桨叶协联关系、结构设计、部件的刚度和强度、水质、电网稳定性等;阐述上述因素对轴流式水轮机稳定运行造成的影响,以及在轴流转桨式水轮机设计中采取的相应措施,可供电站轴流转桨式水轮机设计时借鉴。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。     

轴流转桨式水轮机装置甩负荷过渡过程的合理控制方式

本文提出了轴流转桨式水轮机装置甩负荷过渡过程的一种合理控制理论与方式,经装有轴流转桨式水轮机的水电站现场试验证实,采用这一控制方式可以显著改善轴流转桨式水轮机装置甩负荷过渡过程的动态品质;大幅度降低水轮机蜗壳水压上升值与机组转数上升值;从而给水电建设带来重大的经济效益。     

万安电厂水轮机组分段关闭控制程序优化与应用

水轮机导叶分段关闭作为满足水轮机调保计算的指标之一,在紧急或正常停机时,分段关闭装置在PLC设定程序参数下,控制程序能正确地开出分段关闭电磁阀动作分段关闭装置,从而达到降低水锤压力和限制转速上升的目的。此文对轴流转桨式水轮机组分段关闭控制程序进行介绍、分析,提出分段关闭控制程序优化的设想并加以实践应用。     

原型混流式水泵水轮机过渡过程中的压力脉动

电力市场日益增长的需求导致水泵水轮机频繁地改变运行工况,在偏离设计工况条件下,不得不历经压力脉动幅值较高的区域运行。混流式水泵水轮机的压力脉动主要由动静干涉、旋转失速以及尾水管涡带等不稳定流动引起的。然而,当前关于过渡过程中压力脉动的研究偏少,通常侧重于稳态运行。本文根据现场实测压力数据,采用Savitzky-Golay方法提取过渡过程中的压力脉动,并利用FFT、STFT等方法进行信号处理,揭示了实际抽水蓄能电站水泵水轮机甩负荷过程中压力脉动组成成分和相对强度变化的普遍规律。结果表明:蜗壳进口、无叶区在经过飞逸点后压力脉动将由高频的动静干涉和低频旋转失速共同组成,其动静干涉幅值极值分别出现在制动工况和飞逸点,旋转失速幅值极值均出现在飞逸点以后的制动工况。尾水管压力脉动组成频率则集中在低频区,与涡带和不稳定流态有关。     

轴流转桨式水电机组作定桨运行

一、轴流转桨式水轮发电机组可作定桨式运行我国轴流转桨式水轮发电机组在设计和制造时通常是按其调速器失灵,导水叶不能自动关闭,但是其导水叶和转轮叶片协联关系仍能维持时机组甩掉全部负荷而产生飞逸     

水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机无叶区压力脉动的幅值和频率特性,总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征,指出了无叶区压力脉动的主频为叶片通过频率。其次,本文应用自由涡环量等于常数原理,通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析,提出了水泵水轮机水轮机工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

三维非定常湍流尾水管涡带数值模拟

采用全流道三维非定常流动数值模拟方法,研究了混流式水轮机在部分负荷工况运行时,尾水管涡带在尾水管内引起的压力脉动现象。计算工况为典型的部分负荷工况,单位转速为70.52r/min, 单位流量为0.679m3/s。计算结果表明在4个计算点都得到了涡带低频压力脉动：频率为0.333Hz, 是转频1.25Hz的1/3.75,相近工况（n11=71.25r/min,Q11=0.689m3/s）模型试验测得涡带频率为5.31Hz, 是转频18.62Hz的1/3.51,从涡带频率看计算结果与试验测量结果一致。研究成果表明数值模拟方法是可行的,可以在设计阶段预测尾水管内涡带压力脉动的特性。     

基于熵产理论的水轮机尾水管涡带研究

为了研究水泵水轮机部分负荷工况尾水管涡带产生的原因和压力脉动特性,本文以模型水泵水轮机为研究对象,对内部流动进行了全流道三维数值模拟并采用熵产理论进行了分析。计算结果分析表明:数值模拟与实验值吻合较好;固定导叶和蜗壳内的总熵产很小,而转轮和尾水管内较大,在小流量工况叶片压力面产生的流动分离会导致高熵产率分布区域的出现,并且会随着流量的进一步减小而扩大;在部分负荷出现了粗壮型和纤细形两种涡带,均呈现螺旋形,涡带的形成与叶片出口环量偏离零环量有很大关系;涡带的出现会在尾水管内形成漩涡,阻塞尾水管通道,涡带跟随转轮同方向旋转,但是转速更低,因此尾水管出现幅值较大的低频压力脉动。     

混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动试验研究

通过三峡电厂升水位试验数据分析了混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动主频的变化趋势，指出了目前两种用于计算尾水管涡带频率的适用性不足。试验数据表明，定水头下尾水管压力脉动主频在部分负荷低负荷段随着水轮机流量的增大有减小的趋势，在部分负荷高负荷段中呈“V”型分布，这种“V”型分布与尾水管固有频率相关；定导叶开度情况下，部分负荷下尾水管压力脉动主频与水头没有必然联系；试验同时表明，部分负荷下尾水管压力脉动对机组稳定性参数具有直接影响，是引起机组稳定性参数变化的主要原因。     

弯肘型尾水管非定常涡旋流动数值模拟

本文采用有限体积法求解用代数雷诺应力模型封闭的雷诺平均N—S方程组，对湖北清江隔河岩水电站l号发电机组的尾水管，在部分负荷工况运行时的非定常涡旋流动进行了数值分析。结果表明，在水轮机部分负荷运行，特别是负荷为40％左右时，尾水管内形成了明显的旋转涡带。数值模拟得到的尾水管中压力脉动的频率，与湖北中试所在隔河岩进行测试的结果基本一致。