水轮机尾水管压力脉动的神经网络模型

为掌握万家寨水电站水轮机尾水管的水压力脉动特性,对水轮机尾水管水压力脉动进行了现场测试,获得了多个工况下的测试数据.在测试数据的基础上,应用人工神经网络中的三层前向网络模型,采用反向传播算法,建立了水轮机尾水管压力脉动特性的人工神经网络模型.与实际的测试数据进行对比分析表明,所建立的人工神经网络模型,能够准确反映水轮机的尾水管压力脉动特性,可以用于指导水电站中机组的稳定运行.     

混流水轮机尾水管压力脉动近似分析方法(续)

混流式水轮机尾水管中由涡带引起的压力脉动，对水轮机的稳定运行有很大影响，研究尾水管中的压力脉动规律，对指导水轮机的运行是有重要意义的。一般认为，混流式水轮机尾水管中由涡带引起的压力脉动，与尾水管进口处的水流环量有关，本文阐述了一种在已知模型综合特性曲线的条件下，利用数据拟合的方法来近似地计算混流式水轮机尾水管中压力脉动特性的方法。     

混流水轮机尾水管压力脉动脉似分析方法（续）

本文阐述了一种在已知模型综合特性曲线的条件下，利用数据拟合的方法来近似地计算混流式水轮机尾水管中压力脉动特性的方法。     

尾水管脉动压力及扩散方式的研究

许多研究成果表明，影响水轮机水力稳定性有多种因素，其中一个重要因素是尾水管内水流的压力脉动。由于各种原因产生的高频和低频的压力脉动会使尾水管内部产生严重的空蚀破坏或者诱发水轮机叶片产生振动等问题。为此，结合广西百色水利枢纽工程尾水系统进行了水力学试验，量测了尾水管的脉动压力，得出不同工况下尾水管的水流特性。对于作为水轮机能量恢复装置的尾水管，还比较了两种不同设计方案的优劣。     

混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述

混流式水轮机尾水管压力脉动是造成机组运行不稳定的重要原因,严重的脉动甚至会威胁厂房的安全,而尾水管涡带是产生压力脉动的首要原因。所以,混流式水轮机尾水管涡带的研究对解决压力脉动有着十分重要的意义。为此,就混流式水轮机尾水管压力脉动的研究,即从理论研究、模型实验、数值模拟和真机试验4个方面。重点阐述在部分负荷、满负荷以及超负荷工况下的尾水管涡带特性参数变化的特点,介绍数值模拟方法在解决尾水管振动问题上的优缺点以及目前在真机试验上检测尾水管振动的新方法,从而也提出解决尾水管压力脉动的几个途径。     

混流式水轮机尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测

混流式水轮机尾水管内螺旋形涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机组振动的主要根源之一,严重威胁机组的安全运行.本文基于CFD技术对一大型混流式水轮机尾水管压力脉动进行了数字化预测,文中首先对该水轮机在典型偏工况下尾水管的内流进行了长时间非定常计算,然后详细讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律,并预测了尾水管的不规则压力脉动,最后对压力脉动预测值进行了分析,结果表明其波形、频率、相位与实际基本一致,证明文中压力脉动的预测方法是可行的.     

非定常流弯肘型尾水管不规则压力脉动预测

尾水管内螺旋状涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机机组振动的主要原因之一,直接威胁机组的安全运行。为此,提出一种基于CFD数值计算的水轮机尾水管压力脉动数字化预测法,并利用此法对一大型混流式水轮机偏工况下尾水管内水流流动进行了长时间非定常流计算,讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律,预测了尾水管的不规则压力脉动,压力脉动分析结果表明,其波形、频率、相位与实际基本一致。     

应用空间导叶的混流式水轮机三维湍流计算和试验分析

应用二维湍流计算方法和试验手段，对采用了新型三维导叶的混流式模型水轮机进行了研究。数值计算中，采用了全三维全流道的湍流计算方法，基于标准κ-ε湍流模型和SIMPLEC数值方法，从蜗壳进口到尾水管出口，包含所有流道在内的整体一次完成计算，得到速度场和压力场的分布，分析了不同导叶形式对水轮机流动的影响。通过试验分析了模型水轮机的能量特性和压力脉动情况。     

水轮机尾水管压力脉动对电力系统低频振荡的影响

水轮机尾水管压力脉动是水力发电机组出力摆动的重要原因之一,表现为发电机转子角或输出功率的强迫振荡.尾水管压力脉动主要是由尾水涡带造成的,其频率与水轮机转动频率近似成比例.而且,空蚀会加大脉振的强度.单机无穷大系统中,强迫振荡包括暂态和稳态振荡两部分.暂态分量主要与系统的阻尼有关,而稳态分量则主要与干扰信号有关.建立了水机电一体化仿真模型,通过对部分负荷工况下的仿真,分析了尾水管压力脉动对系统阻尼及振荡特性的影响.     

在水力设计中提高水轮机稳定性的几点措施

从水力设计的角度出发，结合CFD技术的具体应用，分析讨论了混流式水轮机转轮压力脉动与转轮出口环量、尾水管中的流速分布、转轮泄水锥及导叶等之间的关系，提出了减轻压力脉动的具体措施，并对利用水力设计来预测转轮压力脉动进行了一些探索。     

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公式的适用性不足。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。     

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。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CHARACTERISTIC FREQUENCY IN UNSTEADY HYDRAULIC BEHAVIOUR OF A LARGE HYDRAULIC TURBINE

The features of unsteady flow such as pressure variation and fluctuation in a large hydraulic turbine usually lead to the instability of operation.This article reports the recent in site investigation concerning the characteristic frequencies in pressure fluctuation,shaft torsional oscillation and structural vibration of a prototype 700 MW Francis turbine unit.The investigation was carried out for a wide load range of 200 MW-700 MW in the condition of water head 57 m-90 m.An extensive analysis of both time-history and frequency data of these unsteady hydraulic behaviours was conducted.It was observed that the pressure fluctuation in a draft tube is stronger than that in upstream flow passage.The low frequency with about one third of rotation frequency is dominative for the pressure fluctuation in part load range.Also the unsteady features of vibration of head cover and torsional oscillation of shaft exhibited the similar features.Numerical analysis showed that the vibration and oscillation are caused by vortex rope in the draft tube.In addition,a strong vibration with special characteristic frequency was observed for the head cover in middle load range.The pressure fluctuation in the draft tube with the same frequency was also recorded.Because this special vibration has appeared in the designed normal running condition,it should be avoided by carefully allocating power load in the future operation.     

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。     

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。     

高水头混流式水轮机减负荷瞬态流动特性研究

为了平衡和补偿间歇性可再生能源不定时并网对电网的不利冲击,水轮机不得不频繁地经历减负荷瞬态工况转换过程,从而诱发水轮机内部不稳定的压力脉动及涡流结构。基于多面体网格及动网格技术,开展了高水头混流式水轮机导叶关闭减负荷过程水轮机特征参数响应、压力脉动及涡流演化特性的数值模拟工作。研究发现,采用压力边界条件获得的水轮机水头与试验结果吻合较好,流量结果可信度高。负荷变化过程中,无叶区压力脉动相对变化趋势与导叶运动规律一致,且幅值变化不大。导叶开始及停止运动,引起尾水管内的压力信号发生突变,并逐渐形成低频周期性压力脉动。涡带运动诱发的不稳定压力脉动,是转轮轴向水推力形成的主要原因。在导叶闭合过程中,强度较小的轴对称涡带首先沿轴向和径向拉伸,随后沿轴向收缩。导叶停止运动进入部分负荷工况,直涡结构进一步收缩,演变为细长状双螺旋结构,最后双螺旋涡结构合并成强度较高的单一螺旋状涡带。此外,水轮机负荷的减小使尾水管内出现回流,漩涡运动等不稳定现象。     

不同压力速度耦合模式下水轮机三维CFD计算对比

为研究在水轮机数值计算中不同的压力与速度耦合模式对水轮机内流场的影响。对作为研究对象的水轮机进行全流道三维建模及CFD计算。分别在流道蜗壳、转轮、尾水管内设置测点,计算在设定工况下不同压力速度耦合的流场及测点压力脉动数据。分析结果表明:PISO与Simple压力速度耦合模式下流场速度场分布相似,压力分布差异巨大,PISO模式下压力脉动为高频,Simple模式下为低频,其中Simple模式计算与实际符合较好。     

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。     

基于桨叶调节的轴流转桨式水轮机模型飞逸数值模拟

为了研究不同桨叶启闭规律对轴流转桨式水轮机飞逸过程的影响,采用三维非定常数值方法模拟了5种桨叶控制方式下的轴流转桨式水轮机模型飞逸过程,对比分析了转速、流量、力矩和压力脉动等参数随时间变化特性及桨叶表面压力分布和尾水管内流场演变规律。结果表明:以桨叶静止工况下的最大逸速为基准,在±10°内启闭桨叶对最大逸速影响范围为-6.6%~5.0%;在飞逸过程中打开桨叶会加剧外特性参数波动,尾水管中心部最大负压值可达初值的2.86倍,产生的偏心螺旋涡带诱发强烈低频脉动,不利于机组稳定;关闭桨叶可降低水流流速,减小压力脉动及改善尾水管流态,但需探究合理关闭方式以避免过大的转速最大上升值。