斜流式水泵水轮机过渡过程特性的模型与原型试验成果

水泵水轮机的运行工况比较复杂,在水泵或水轮机起动、停机、突增突减负荷、断电源或甩负荷、水泵短路或水轮机飞逸等各种工况的动态过程中,将引起流态、水压、转速、流量、功率的复杂变化,由此引起压力脉动、水力振动、机械振动和各部件应力的变化。为了掌握过渡过程特性,确保机组安全、稳定运行,     

抽水蓄能电站泵工况断电飞逸过渡过程三维耦合数值研究

该文建立了某抽水蓄能电站包括引水系统、调压井、水泵水轮机组与尾水系统等部件的全过流系统几何模型。采用联合VOF两相流模型和单相流模型的三维耦合湍流计算方法对其泵工况断电飞逸过渡过程进行了数值研究,获得并分析了若干参数随时间的变化规律和不同时刻流场的演变过程,与电站原型试验资料进行了对比。结果表明:历程线模拟结果与试验结果吻合良好,基于耦合算法的三维湍流过渡过程研究方法具有较高精度。电站内外特性变化剧烈,相互影响,依次经历水泵、制动、水轮机和飞逸工况。转轮内大量的涡流在尾水管形成了强烈的顺时针螺旋形涡带,是飞逸工况机组低频压力脉动的主要原因。     

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。     

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。     

抽水蓄能机组水泵断电过程中的机组反转问题

与常规机组相比,抽水蓄能机组具有水泵断电的工况,水泵断电时受导叶关闭规律和机组特性影响,经常要面临机组反转问题。以洪屏抽水蓄能电站为例,针对水泵断电时机组是否需要反转,反转是否有利于抽水蓄能机组的运行,以及反转时机组转速上升率对抽水蓄能机组运行的影响进行研究。利用水力机组过渡过程模拟计算和原型试验的方式,对机组30%反转和100%反转的工况进行研究。结果表明:两种工况下机组的控制参数均满足要求;综合考虑通流系统压力极值、材料应力极限、压力脉动等因素,100%反转工况优于30%反转工况;在反转转速不超过额定转速时,机组反转的转速越高,越有利于机组水泵断电工况的过渡过程要求。     

水泵水轮机四象限工作区流动特性数值分析

抽水蓄能电站工况转换频繁,过渡过程中水泵水轮机可历经全特性4个象限,不稳定的复杂流动演变使过渡过程中事故频发。本文针对某低比转速模型水泵水轮机进行四象限全流道数值计算,得到同一开度下水轮机内部流态的演变规律。结果显示,在水泵区部分负荷工况,导叶区产生旋转失速现象,失速区的个数随流量大小变化;失速涡阻塞流道,使局部压力升高,产生周向传播的低频压力波动。在水泵制动区,当转速较高时,离心力作用使得水流不能均匀进入转轮,在转轮内产生旋转失速现象。在水轮机反"S"区,转轮进口产生的回流漩涡结构随流量在某些工况点的突变,导致沿转轮进口展向的流速分布呈现随流量而突变的现象。入流分布在飞逸点附近的突变使水流对转轮的做功特性发生突然变化,可能是导致空载不稳定的原因。     

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...     

水电站的水力机械过渡过程(二)过渡过程中的水力机械工况和参数

一、水力机械的暂态工况和圆特性水力机械参数的改变对水电站和抽水蓄能电站的过渡过程有很大影响,这些水力机械参数有:决定压力管道水锤的流量;确定甩负荷时机组转速差的转轮力矩;并入电力系统运行时有功功率改变的速动性以及水轮机和水泵工况的机组起动时间。另一些参数也是重要的:转轮的轴向力;流道中不同地点的压力以及转轮桨叶和导叶上的作用力。众所周知,上述的水轮机参数取决于水轮机的工况,即水轮机的运动学的条件,它可写     

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。     

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。     

水泵水轮机全流道“S”特性区数值分析

抽水蓄能电站在水电中扮演着极其重要的角色,其机组水泵水轮机的“S”特性区流动情况是研究的重点。以自主研发的某水泵水轮机为研究对象,根据模型试验结果的“S”特性曲线,选取其中小导叶开度的“S”特性曲线,结合SST k-w湍流模型,运用ANSYS-CFX软件对曲线上部分工况点进行了数值分析。数值分析工况包括水轮机工况、飞逸工况、制动工况和反水泵工况,通过计算得到了单位流量和单位转速的关系曲线,所得曲线与模型试验曲线较为吻合。计算结果表明：在制动工况和反水泵工况时,固定导叶、活动导叶和转轮区域内均存在较多的旋涡性回流,为较为不稳定的工况。转轮区域内流动速度极低,叶片中间位置有无规则性回流,相邻的两个叶片头部之间形成横向流动的水环,水环在离心力的作用下阻挡水流进入流道,从而大大减小了转轮的过流能力,这可能是导致水泵水轮机在制动工况下单位转速降低的重要原因。     

水泵水轮机流动可视化研究

利用PIV流场测试技术，对低比速混流式模型水泵水轮机转轮在水轮机工况下进行了可视化研究，结果表明水泵水轮机模型在设计工况下转轮区的流态较好；在非设计工况下，不管正冲角还是负冲角，翼间流场都会有一定的脱流与旋涡存在。尤其在大流量工况下，在叶片正面形成的脱流漩涡，其位置几乎不变，机组运行比较稳定；在小流量工况下，存在着周期性的脱流漩涡，从进口附近逐渐变化到出口附近，机组运行不稳定。     

抽水蓄能机组水泵水轮机模型测试

针对国内首次抽水蓄能电站水泵水轮机组第三方试验台同台对比试验,进行了水轮机模 型测试方法的改进,解决了水泵水轮机四象限试验、瞬时工况点数据采集、水泵大流量工况压力 面空泡观测等试验技术难点。模型试验取得了理想的效果:效率试验的测试不准确度小于 士0. 2 %,试验工况稳定、数据重复性好,采集的“S”特性区和反水泵区的数据点密集。此次试验 表明,国内试验台有能力完成抽水蓄能水泵水轮机组的模型验收试验,对推动我国抽水蓄能电站 的建设有积极意义。     

不同湍流模型在水泵水轮机内的适用性比较

随着抽水蓄能电站的兴建,水泵水轮机得到了广泛的应用。为了更加合理的探究水泵水轮机在不同工况下的水流运动状况,分别采用标准k-ε、RNG k-ε、SST k-ω及标准k-ω四种湍流模型进行数值模拟计算,主要对水泵水轮机在水泵工况下导叶开度为16 mm的运行工况进行全特性分析。通过对水泵水轮机进行扬程、效率、轴功率等计算,最后与实际测试数据进行分析比较,得出各湍流模型的适用性结论。结果表明:标准SST k-ω模型不适用于水泵工况的计算,RNG k-ε模型最适合于所选水泵水轮机水泵工况下内部流场的模拟计算与性能评估。     

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。     

海南抽水蓄能电站规划选点阶段机组参数选择

水泵水轮机参数的合理选择,对抽水蓄能电站投资效益和安全高效运行具有决定性意义,而规划选点阶段机组参数的初步选择直接决定了后续水机、水道、厂房等工作的开展及其合理性,意义不可忽视。本文根据抽水蓄能电站规划选点阶段工作的特点,采用以水轮机工况作为起点,以水泵工况予以校核的方法,结合已建相似水头电站的参数,对海南抽水蓄能电站规划阶段站点的基本参数作出了初步分析计算,以期为下一步预可研阶段的工作提供依据。     

重力场对灯泡贯流式水轮机流场分析及水力性能评估的影响

本文采用黏性三维湍流流动分析法，通过Fluent软件分析了重力场对灯泡贯流式水轮机流场分析和水力性能预估的影响。计算中考虑了在不同的水头与转轮直径比的情况下，重力场的影响程度。计算结果表明：考虑重力后，水轮机进口断面的平均速度、流量和功率都比不考虑重力时大，但效率相差不大。由于重力作用在竖直于机组轴线方向上的压力分布不均匀，叶片上作用有交变应力。当水头与转轮直径的比值超过5时，重力的影响可以忽略。