水泵水轮机泵工况旋转失速压力脉动特性及转动机理

水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行,叶道内易发生旋转失速,可诱发剧烈的低频压力脉动,严重影响水电站的安全稳定运行。本文采用尺度自适应(SST-SAS)湍流模型对某模型水泵水轮机泵工况进行全流道非定常数值模拟,得到不同工况点下旋转失速引起的压力脉动特性及失速涡团的周向转动机理。结果显示,在40%~80%设计流量下运行时,导叶区发生旋转失速,失速涡团的转动频率为叶轮转频的3.3%~8.1%。旋转失速发展强度越剧烈,转动越慢。旋转失速周向转动的机理是:失速与非失速相邻导叶流道内存在较大压力梯度,在其作用下,失速流道内流体从活动导叶与固定导叶之间通道流向非失速流道,加剧非失速流道内流动分离。被阻碍的水流与无叶区主流叠加流向下一流道,并在活动导叶吸力面进口前缘产生局部低压,导致当前非失速活动导叶流道在进口与出口之间的逆压梯度增强,使流体反向流动,流道产生失速。     

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...     

水泵水轮机的数值模拟及其应用

采用足够小的直线段拟合机组全特性曲线平直部分，采用二次多项式拟合机组全特性曲线弯曲部分，推导了有关方程，并对模拟的方程进行了处理，编制了较通用的计算机程序，利用该计算机程序对我国蒲石河抽水蓄能电站进行了计算分析，计算结果表明：该计算机程序计算速度较快、计算准确度较高，提出的水泵水轮机的数值模拟方法具有实用价值．     

低比速水泵水轮机“S”特性区的内部流动

在小型混流式水泵水轮机模型装置上对转轮流道的压力分布进行了实测，并通过流动可视化摄制了翼间流动的图像；由实验与图像处理结果获得了“S”特性区的真实流态，讨论了“S”特性区不稳定流动的原因。     

水轮机和水泵水轮机中的数值流体力学

１引言在水轮机和水泵水轮机领域中使用数值解析，始于２０世纪７０年代初的准三元解析法．当时的计算机技术和计算机的运算能力虽然同今天无法相提并论，但对水泵扬程等的预测已能达到相当的精度．现在普遍被称为数值流体解析的方法，即将流道分割为数十万乃至数百万个网格、在其上对紊流进行数值解析的方式．这种解析方法被应用于水轮机设计已逾１０年．以下介绍最近的应用范例．２整体模型随着CPU运算速度的不断提高，DRAM的价格一路下滑．其结果，使水轮机、水泵水轮机的整体模型解析变得日益频繁．图１所示为水泵水轮机在水轮机运行…     

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。     

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S特性区能量损失及流动特性研究

为了调节电网的稳定性,抽水蓄能电站需要频繁启停和变换工况运行,导致水泵水轮机容易进入S特性区,机组振动增加,并网失败。本文以模型水泵水轮机为研究对象,采用熵产理论详细分析了S特性区不同工况下的能量损失规律,明确了熵产率分布与内部流动结构的关系。结果表明：S特性区内近飞逸工况总熵产最大,约为设计工况的5.1倍,脉动熵产占据的比例接近80%,随着流量的减小,转轮熵产占比逐渐降低,活动导叶和尾水管的熵产占比增加。小流量工况转轮进口靠近下环位置首先出现了明显的漩涡,导致了活动导叶出口和转轮进口的高熵产区,随着流量进一步减小,漩涡逐渐向上冠转移,并且切向速度增大,在转轮进口形成挡水环,阻碍水流进入转轮,在无叶区内出现了环状分布的高熵产区。反水泵工况,水流在低压边与逆时针旋转的叶片撞击,导致水流很难进入叶片内部,形成了大尺度的回流涡结构;双列叶栅内充满大量涡结构,导致活动导叶吸力面的熵产率增大,并且向固定导叶传播。     

可逆式水泵水轮机研究现状综述

抽水蓄能电站大都采用可逆式水泵水轮机,针对可逆式水泵水轮机的设计缺陷,介绍了可逆式水泵水轮机的驼峰区和"S"特性,结合近几年国内外的研究成果,总结了优化转轮设计、机组避开"S"特性区运行等解决水轮机设计缺陷的方法。     

水泵水轮机泵工况停机过程流动特性分析

小水电对于国家减少碳排放的作用日益扩大,由于抽蓄机组技术较为成熟,目前国家鼓励小水电向抽蓄机组转变。为分析小水电转变为抽蓄机组后的稳定性,利用动网格方法实现了对水泵水轮机泵工况停机过程的模拟,得到其外特性变化曲线,并对水泵水轮机泵工况停机过程的流动特性进行分析。研究发现：泵工况停机过程中,在转轮与导叶区域涡流首先出现在活动导叶与固定导叶之间,然后在转轮叶道内形成涡流,且随着停机过程的进行,涡流的分布逐渐混乱。无叶区压力在停机过程中先增大后减小,中心低压区面积逐渐增大。尾水管区域内涡流首先出现直锥段,然后该影响逐渐传递至下游,在扩散段形成涡流,随着转轮转速的降低,尾水管流态得到一定的改善。在整个过程中蜗壳、无叶区和尾水管位置的压力受到水锤作用的影响,无叶区的压力脉动受到动静干涉的影响,波动范围很大。图9幅,表1个。     

水泵水轮机增减负荷过程三维流动特性大涡模拟分析

采用大涡模拟(LES)对水泵水轮机增减负荷过渡过程进行三维非定常数值模拟,捕捉到了不同开度下叶道中多种涡系结构,展示了叶道涡涡量分布,分析了水轮机工况及水泵工况小流量运行区的流动结构变化特性,揭示了水流进口攻角与叶道涡涡系结构关系,对各类叶道涡不同形态进行了研究并提出了马蹄涡识别变量,并对比分析了水轮机工况及水泵工况涡结构变化特性。计算表明水泵水轮机的水力稳定性与机组运行工况改变时的流动结构特性密切相关,在增减负荷过渡过程中,叶道涡结构的尺度及分布范围均随时间发生较大变化,是影响流态发生巨变的主要因素。     

初始运行工况对水泵水轮机飞逸过渡过程水力特性的影响

飞逸过渡过程是抽水蓄能电站可能发生的一类事故工况。此过程中水泵水轮机的转速、流量和压力大幅改变,转轮流态极易恶化,可能引发剧烈压力脉动和转轮受力失衡。水泵水轮机初始运行工况是飞逸过程的重要控制因素之一,但其对此过程中机组水力特性的影响尚不明确。本文用一维管道与三维水泵水轮机耦合的数值模拟研究了某模型抽水蓄能系统中水泵水轮机从两个不同初始运行工况发生飞逸过程时水力特性的差别。结果表明,相对于流动条件较好的额定工况,由流动条件较差的部分负荷工况开始的飞逸过程更容易引起水泵水轮机运行轨迹的剧烈跳动以及流道压力脉动和转轮径向水推力的幅值突增,原因是在此过程中更易形成转轮流动失稳,机理是过渡过程中的瞬时流态保留有相应初始工况的部分流动特征,即瞬时流态的演化存在迟滞效应。因此,在当前不断拓宽抽水蓄能机组运行范围以满足电网容量调节需求的背景下,应充分考虑初始运行工况对可能发生的飞逸过程的影响。     

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。     

水平管内螺旋流涡特性数值模拟

螺旋流是工程上常见的流动现象,具有增强湍流度、促进传热传质和提高对颗粒的携带能力等特性。该文采用雷诺应力湍流模型(RSM)对水平管内由短螺旋扭带起旋的螺旋流流动特性进行了数值模拟研究,通过激光多普勒测速仪(LDV)测速实验验证了数学模型的准确性和可靠性。结果表明,水平管内螺旋涡首先在扭带吸力面形成,且形成初期,涡量的大小受主涡影响较大,二次涡形成后,涡量大小主要受二次涡影响。在形成过程中二次涡增强了壁面附近的速度脉动,能够有效地增加介质的掺混。此外,由于二次螺旋涡的存在,使水平径向压力梯度增加,靠近壁面处的轴向速度减小,近壁处切向速度值增大1倍,且径向速度在螺旋流中不可忽略。     

并列旋转双圆柱流动特性的数值模拟

该文基于k - ε湍流模型,采用Galerkin有限元法对并列旋转双圆柱的绕流特性进行了数值模拟,计算的雷诺数为 1550.为了考查两圆柱旋转和间距的相互作用,文中采用三种间距比分别是T/D = 1.2,1.6和3.0 (T 为两圆柱中心之间的距离,D为圆柱直径) 和一系列不同的旋转速度比 (|α| ≤ 2).计算显示,当 |α| = 0,即圆柱不转动时,对应三种间距有三种典型的流型,单钝体流型对应小间距、偏流对应中等间距和对称流对应大间距;当 |α| 达到临界值时,涡脱落得到了有效的抑制,流动趋于稳定,升力系数和阻力系数的脉动值趋于零;平均升力系数和阻力系数随着 |α| 的增大分别增大和减小.     

基于熵产理论的水泵水轮机反S区水力损失机理分析

水泵水轮机在水轮机工况运行时易进入反S不稳定区,影响机组的安全稳定运行。传统压差法在计算水力损失时不能获得损失的具体分布和详细来源,因此水泵水轮机在反S区水力损失机理仍有待深入研究。本文采用雷诺时均方法对某原型抽蓄电站水泵水轮机在活动导叶开度分别为12°和35°下的反S区运行工况进行了数值模拟,基于熵产理论对各个过流部件和不同类型的水力损失进行了定量分析,并结合流场分布情况进一步明确了水力损失的分布特点和产生原因。结果表明,水泵水轮机进入反S区会引起导叶段水力损失占总水力损失的比例逐渐增大,而转轮段水力损失逐渐减小。在不同类型的能量损失中,湍流熵产占据主导,壁面熵产次之,直接熵产最小。随着水泵水轮机进入深度反S区,转轮区湍流熵产损失较大区域从转轮进口的叶片压力面转移到转轮出口叶片吸力面。水泵水轮机位于反S区时,转轮对水流做功输入能量,使无叶区总压大幅上升,活动导叶开度增大会显著增大无叶区水流能量幅值。     

空化对轴流泵叶轮能量转化特性的影响

为了研究轴流泵空化对叶轮内部流动特性以及能量转化特性的影响,结合SST CC k-ω湍流模型与均相多相流模型对轴流泵进行了非定常空化计算。结果表明:随着有效汽蚀余量的逐渐降低,轴流泵内空化体积分数逐渐增加,诱导叶片表面出现侧向射流与漩涡等不良流态,对叶片出口流场的均匀性产生不良影响;自叶片进口至叶片出口,空化区域内的液体相对速度较未空化时增大,绝对速度与静压较未空化时减小。沿轴向,在无空化与空化初生时,动静扬程先不发生变化,随着泵进口压力逐渐降低,当有效汽蚀余量a=5.33 m时,静扬程不变而动扬程出现小幅增加,泵的水力性能出现小幅上升;在a=4.71 m时,静扬程下降且下降幅度高于动扬程上升幅度,泵扬程效率明显下降。随着空化程度的进一步增大,动静扬程继续下降,轴流泵水力性能急剧下降。     

海水泵站流道非对称引水流态特性数值模拟分析

为探讨海水泵站流道非对称引水流态特性,基于OpenFOAM建立了某液化天然气接收站海水泵站流道数值模型,在利用实测数据验证的基础上,模拟计算与分析了对称和非对称引水时,流道内流速与紊动动能分布特征。模拟结果表明:海水泵站非对称引水时,水流进入前池后流速较大,在低水位下水流无法充分扩散,在流道入口处形成偏流,行进至海水泵前断面水流分布已基本均匀;非对称引水时,海水泵所在进水池各断面均匀性指数平均值高于对称引水工况,且各海水泵进水池的紊动动能平均值也小于对称引水工况;从过水断面流速分布均匀性以及紊动量级来看,非对称引水对水泵运行更有利。