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。     

低比转速水泵水轮机"S"区特性数值模拟

水轮机低水头启动困难问题在目前己投入运行的混流式水泵水轮机组中有较多出现,是抽水蓄能技术研究需要解决的关键问题.采用SST k-ω模型对不同导叶开度下的小流量水轮机工况进行数值计算,在数值计算基础上获得了水泵水轮机"S"区特性单位转速与单位流量的关系曲线,并将"S"特性曲线计算结果与试验结果做了对比分析,提出了影响水泵水轮机"S"特性的转动域流动特征.     

非同步导叶在仙游抽水蓄能电站的应用

可逆式水泵水轮机组具有水头高、水头变幅大、转轮比转速小、转轮扁平流道狭长等特点,其S特性使得机组空载特性不稳定并网困难。非同步导叶的投入,能有效地改善水泵水轮机S特性问题,但随之带来机组振动、摆度增加。仙游抽水蓄能电站应用水泵水轮机模型试验,获得较优的预开开度,非同步导叶的现场应用取得成功经验。     

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。     

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。     

运西水电站竖井贯流式水轮机性能优化

采用雷诺时均方程(RANS),选择S-A湍流模型,运用SIMPLEC算法,利用CFD数值模拟技术,数值模拟了不同方案的运西水电站水轮机流道内流场,分析了转轮直径、叶片翼型、叶片个数、叶片安放角、转轮轮毂、转轮转速、导叶翼型、导叶轴线与机组中心线夹角、导叶个数、叶片及导叶安装位置、导叶开度对水轮机性能的影响,叶片数为3时水轮机装置性能较优,机组最高效率点分别在转速为187.5r/min、导叶个数为15时出现。对原有流道可改变部件做适当优化后,将优化后的转轮应用于电站进行数值计算,根据全流道的数值模拟结果,预测电站改造后机组的水力性能。根据数值计算的结果制作模型水轮机和真机进行模型试验和真机测试。结果表明,数值模拟结果与模型实验以及现场运行结果曲线的变化趋势一致,数值模拟结果基本能够准确反映电站的外特性和内部流场特征。     

基于PIV技术的混流式水泵水轮机转轮内流态特性研究

混流式水泵水轮机的稳定性对机组并网的安全性具有关键影响,转轮内的流态特性是分析水泵水轮机稳定性的重要依据。该文对转轮内流态特性进行了研究,首先,建立流动可视化PIV实验模型;利用相关法,根据采集的粒子图像的分辨率,确定相关域和搜索域;在实验用的模型水泵水轮机的特性曲线上选取12个典型工况点,分析其参数;利用PIV方法,得到各工况下转轮中的流态;最后,分析转轮叶片进口冲角和导叶开度对转轮内流态的影响,进一步明确了混流式水泵水轮机内部流态与运行工况之间的关系。     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

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。     

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...     

基于CFD的水泵水轮机水泵工况驼峰性能评判研究

以两个水泵水轮机模型转轮为研究对象,联合分析了单流道计算结果与模型试验结果,形成了不同转轮方案“驼峰”性能比较的CFD评判方法,对水力设计时“驼峰”性能的优化提供了理论指导,同时对转轮和活动导叶在压力系数“转折点”和“驼峰”谷点工况下进行了内部流态分析,对“驼峰”现象的产生原因有了更加深入的了解。结果表明：转轮对比时,压力系数“转折点”流量系数越小,模型试验得到的“驼峰”谷点流量系数越小,压力系数越高,“驼峰”裕度越大;活动导叶近顶盖区域的不稳定流动是单流道计算时压力系数曲线出现“转折点”的主要原因;转轮内部分流体从低压边近上冠侧向高压边近下环侧的流动导致活动导叶近底环区域产生复杂的紊流,严重堵塞了流道,导叶的过流能力下降,是水泵工况出现“驼峰”现象的内因。     

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。     

水泵水轮机全特性曲线对过渡过程轨迹的影响

抽水蓄能电站的过渡过程是影响电站安全稳定运行的重要因素。在电站流道确定后,可逆式机组的全特性曲线成为决定电站过渡过程稳定性的关键。可研阶段定制转轮还未开发,需借用相近比转速电站的转轮全特性曲线用于过渡过程计算。由于对抽水蓄能电站建设不同阶段所用的转轮全特性曲线的对比分析不足,部分抽水蓄能电站投产后出现过渡过程运行稳定性问题,严重威胁其安全运行。为研究该问题,对国内一典型抽水蓄能电站在建设前期、运行期及改造期所用三个水泵水轮机转轮的全特性曲线进行了对比,分析了典型工况甩负荷后采用不同全特性曲线机组运行轨迹的差异及其与过渡过程稳定性的联系。研究结果证实了过渡过程稳定性与特性曲线形状直接相关,甩负荷后机组运行轨迹在特性曲线各区域的历经时间与过渡过程控制参数极值密切相关,特别是在制动区与反水泵区的历经时间,其值越大,过渡过程稳定性越好。水泵水轮机转轮全特性曲线确定后,也可通过优化导叶关闭规律的方法来进行调整机组运行轨迹,以提高过渡过程稳定性。研究表明,对抽水蓄能电站建设不同阶段采用的水泵水轮机转轮特性曲线进行系统的对比分析,对确保电站投运后的运行安全性很有必要。研究成果可为提高水泵水轮机转轮设计水平以及评判抽水蓄能电站的过渡过程稳定性提供有效参考。     

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。     

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。     

超低水头竖井贯流式水轮机三维湍流数值模拟

针对竖井贯流式水轮机导叶叶片数对其性能的影响,结合淮安市古黄河水利枢纽工程水轮机模型试验,在一定导叶开度下,对不同导叶数的竖井贯流式水轮机进行了基于CFD的数值模拟,并获得了设计点工况下配置不同导叶数量时水轮机的水力性能。将不同方案在水头损失以及流道和转轮效率上进行了对比。结果表明：随着导叶数的增加,流道效率和转轮效率逐渐提高,水头损失随之减小。通过分析贯流式水轮机内流场并结合外特性计算结果,最终确定了最佳导叶数方案;数值模拟得到的效率与试验数据的平均误差相当小,证明了数值模拟的准确性。该方法可以为超低水头竖井贯流式水轮机设计及其水力性能优化提供参考。     

导叶开度对水泵水轮机泵工况导叶区流场影响的试验研究

针对活动导叶开度对水泵水轮机泵工况导叶区流场和模型性能的影响,在高精度模型通用试验台上对一低比转速模型水泵水轮机导叶区的流场运用粒子图像测速(PIV)系统进行了测量。测量结果显示,同一开度下随着流量减小,无叶区内的流速出现增大的趋势;同一流量随着开度的减小,导叶前流速明显增大,模型效率下降。模型试验在转轮无空化条件下进行,但在8 mm开度83%最优流量工况,由于流速高、冲角大,造成位于高压侧的导叶头部发生了明显的绕流空化现象,并引起了固定导叶流道宽频带的压力脉动。研究成果可为水泵水轮机的优化设计和安全稳定运行提供试验依据。     

长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。