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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水泵水轮机驼峰区无叶区压力脉动特性CFD研究

水泵水轮机无叶区的压力脉动非常重要,特别是驼峰区的压力脉动特性。本文基于三维非定常全流道计算,研究了导叶开度为20°工况下的驼峰区压力脉动特性。计算结果显示,驼峰区的压力脉动幅值非常大,达到了30%,这主要是由0.42倍的转动频率引起的,除了0.42倍转频外,驼峰区的压力脉动还有叶片通过频率及其倍频;压力脉动沿圆周方向不均匀分布,这可能与无叶区压力场的不均匀性和转轮内速度梯度在不同流道内的分布有关。     

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。     

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。     

混流式蓄能机组水轮机工况全流道流动数值模拟研究

利用ANSYS CFX14.5软件,对某一抽水蓄能电站的混流式水泵水轮机全流道应用RNG k-ε湍流模型,进行了68.9%、51.5%、19.5%等3个不同导叶开度下水轮机工况的三维定常湍流数值模拟。通过与现场试验数据进行对比,可知:(1)不同导叶开度下,压力的模拟值与试验值最大误差不超过7.5%;(2)在设计开度下,水泵水轮机内部流动比较平稳,流体流经各过流部件间过渡顺畅,没有明显的撞击发生,整个流道水力损失较小;随着导叶开度减小,水泵水轮机流道内流动变紊乱,稳定性变差;(3)随着导叶开度减小,活动导叶及转轮进口的撞击现象变严重,转轮内和尾水管内的涡带逐渐扩散到整个流道。     

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。     

基于熵产理论的水泵水轮机泵模式水力损失分布

基于熵产理论,研究原型水泵水轮机在泵模式不同流量工况下的水力损失空间分布及不稳定流动诱导的主要水力损失存在的位置和变化。结果表明：随着流量增加,总熵产与压差法水力损失变化一致,先显著减小后逐渐增大。间接熵产、直接熵产和壁面熵产与总熵产的变化趋势一致,且间接熵产和直接熵产占主导地位。间接熵产和直接熵产的分布与湍动能的分布基本一致,但直接熵产更靠近主涡区,而间接熵产在流场中具有更宽的分布范围。水泵水轮机流动区域内的水力损失位置强烈依赖于流动条件。小流量工况下高水力损失主要源于无叶区的高速环流、活动导叶区的旋涡以及尾水管弯肘段和直锥段的壁面分离,而蜗壳的水力损失较小。最优工况下的水力损失较小,主要源于叶片尾迹和少数固定导叶流道的旋涡。大流量工况下高水力损失主要源于水流对活动导叶的冲击和不稳定流动在固定导叶区的扩散,以及蜗壳进口处周向间隔分布的旋涡和高速流动,而尾水管的水力损失极小。     

不同空化条件下轴流泵反向发电压力脉动特性研究

以南水北调某泵站为模型,对该泵站大型轴流泵反向发电发生空化条件现象进行全流道数值模拟。对反向发电工况下空化现象进行定常与非定常研究,并与试验结果做比较,得出了水泵反向发电时发生不同空化条件下的气泡体积分布规律,并预测了叶片发生空化的发展特性。在反向发电工况下对三个监测面的压力脉动进行研究,得出压力脉动幅值在导叶进口处最小,转轮出口处幅值最大,约为转轮进口处7倍,水流受转轮转动影响严重,主频为转频。不同空化数下转轮前后的压力脉动幅值随着空化系数减小而增大,压力脉动主频不受空化系数影响。空化数越小,叶片受到的径向力减小,轴向力增加,加剧转轮的不稳定性。为确保轴流泵反向发电运行的稳定与高效,应使得装置在较高的空化系数下运行。     

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。