抽水蓄能电站压力钢管焊缝应力测试与评价分析

为确保抽水蓄能电站机组通流部件的稳定运行,对球阀与压力钢管连接位置处焊缝应力进行了测试,利用球阀全开导叶全关时的静水压力对应力测点进行标定,进而获得了甩负荷情况下焊缝位置处的应力变化特征。数据分析结果表明:焊缝处各测点环向应力与球阀前压力呈正相关,相关系数大于0.94;焊缝处顺水流方向应力与压力呈负相关,相关系数小于-0.85;稳态发电工况及甩负荷过程中应力测点中存在明显的动静干涉频率成分;受水锤影响,最大应力变化产生于甩满负荷工况;最大应力值分析表明,压力钢管可以长期安全稳态的运行。     

抽水蓄能电站多倍叶频强振来源研究

抽水蓄能电站机组和厂房振动问题非常突出,其振动频率多为2或3倍水泵水轮机转轮叶片通过频率,该频率的产生机理一直没有明确可信答案,强振问题迟迟得不到解决。为弄清该问题,在对国内十余个抽水蓄能电站运行稳定性调研的基础上,对电站强振频率、波形与水泵水轮机导叶前压力脉动频率、波形进行了对比研究,发现了二者之间的相同点及脉络联系,发现产生于导叶前的空化衍生压力脉动是引起厂房振动的根源。研究从无叶区压力脉动的幅值及频率特性入手,总结提出了无叶区压力脉动的传播规律,指出多倍叶频压力脉动并非直接源自转轮,而是发源于导叶前的空化衍生压力脉动。无叶区压力脉动主要以压力波方式由转轮向上游传播,在经过导叶进水边因脱流而产生的旋涡空腔时,使空腔产生膨胀-收缩循环变化,产生空化衍生压力脉动。每一个导叶前旋涡空腔产生一个叶频空化衍生压力脉动,所有散布在转轮周围的导叶前压力脉动会在导叶前测点叠加成一周期长短不一的压力脉动,其分析频率为多倍叶频,该倍数通常为转轮叶道对导叶的整数覆盖系数。这说明,没有导叶、固定导叶区域空化空腔的存在,就没有多倍叶频空化衍生压力脉动及机组和厂房强振。     

长短叶片转轮对振动改善的应用与研究

国内抽水蓄能机组大多采用常规叶片水泵水轮机设计,且大部分为9+20组合,即转轮叶片数为9,活动导叶数为20,该组合设计方式的机组多数都伴有由动静干涉(RSI)引起的机组及厂房振动问题。长短叶片水泵水轮机的应用,最早由日本引入中国,国内应用相对较少,且都是5+5长短叶片。针对国内采用常规叶片水泵水轮机设计的抽水蓄能机组大多都伴有由动静干涉(RSI)引起的机组及厂房振动问题,结合世界首台成功应用的6+6长短叶片水泵水轮机改造案例,为了探究长短叶片转轮对于动静干涉及机组振动的改善,全面对比分析了改造前的9叶片水泵水轮机对机组及厂房振动的影响以及改造后的6+6长短叶片水泵水轮机对机组及厂房振动的改善。结合动静干涉机理分析以及频谱分析,推论出机组及厂房振动问题的主要原因,总结出长短叶片对改善内部流态、减小压力脉动的优势,并结合相位共振机理分析对动静干涉引发压力管道相位共振的可能性进行了探讨。研究结果表明：机组及厂房主振源来自于无叶区动静干涉,主要频率成分为90 Hz,厂房局部发生共振导致楼板振动偏大。使用6+6长短叶片水泵水轮机后,机组及厂房楼板振动降幅均超过60%,部分测点降幅甚至超过90%;...     

宁海抽水蓄能电站机组相位共振风险评估

通过研究诱发相位共振的相关因素,消除抽水蓄能电站机组相位共振,提高抽蓄机组的运行稳定性,利用归纳分析法,从基础模型选择及模型试验对比结果、无叶区宽度比较、不同转轮叶片数与活动导叶数配比的水压脉动频率及优缺点、相位共振风险因子分析及业绩比较等几方面评估了宁海抽水蓄能电站机组由于动静干涉引起的相位共振风险。研究结果表明：宁海抽水蓄能电站基础模型选择合适,优化后模型各项稳定性指标优于基础模型;无叶区D₀/D₁=1.23属于国内抽蓄电站较高水平;10+16的转轮叶片数与活动导叶数配比合理,水压脉动频率较低;较低波速下相位共振风险因子高于国内工程经验值,但低于国外工程统计值。研究成果说明宁海抽水蓄能电站机组水力开发选型合理先进,发生相位共振风险较低,评估过程可为后续新建抽水蓄能电站评估提供一定参考和借鉴。     

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。     

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。     

抽水蓄能机组水轮机工况启动时机组及厂房振动时频分析

对抽水蓄能机组水轮机工况启动过程中,机组摆度、振动、厂房振动、压力脉动随转速变化的时频特性进行了试验研究。研究结果表明,当抽水蓄能机组水轮机工况启动时,机组升速过程中,机组摆度信号有明显的转频及倍频分量;机组振动速度信号、电站厂房振动信号有明显的3倍叶片过流频率;压力脉动信号主频与转速没有明显的关系,具有低频随机脉动特性。     

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。     

水力激振作用下的蓄能机组泵工况稳定性分析

随着我国蓄能机组的大量投运,水力激振所引发的机组稳定性问题日益严重。针对蓄能机组泵工况运行时的水力激振问题,采用现场试验手段获得了额定转速下蓄能机组调相压水工况与稳定泵水工况运行时的机组振动、摆度数据,采用频谱对比分析方法,研究了两种工况下各稳定性测点频谱,通过频谱中频率成分的变化,指出了不同部位测点中频率成分存在的差异。分析结果表明:承受垂直载荷部件振动幅值水泵工况较调相工况略有增大趋势;112.5Hz动静干涉频率成分主要在机组垂直振动方向上传播,且逐渐衰减;水力干扰导致泵工况部分测点的频率成分中增加了叶片通过频率56.25Hz和动静干涉频率112.5 Hz,但频率成分的增加并不一定引起机组振动与摆度混频幅值的增大;由于机组振动中261Hz等高频成分的出现,未来厂房与机组的动力分析报告中应包含高频成分,并进行复核。本次观测为转轮设计及研发人员提供了翔实参考数据。     

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。     

超低水头水轮机动静干涉效应的数值模拟研究

采用RNG k-ε湍流模型对一可用于小水电、越浪式波浪能发电的单级超低水头水轮机进行了全流道三维非定常流动计算,应用滑移网格技术考察了动静干涉效应。通过数值模拟计算,分析比较了不同流量下水轮机压力、轴向速度的脉动特性,以及轴向水推力、力矩的变化规律。结果表明：水轮机内流场周期性脉动明显,该周期性脉动主要由静叶尾迹与动叶间的干扰所引起,脉动频率以叶片通过频率为主;随着流量（水头）的增加,无叶区压力、轴向速度的波动幅值均逐渐增大。     

叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究

大型含导叶立式离心泵广泛应用于高扬程远距离调水,旋转叶轮与静止导叶动静干涉引起的无叶区内高幅值压力脉动是影响其稳定运行的关键因素.为研究叶轮与导叶匹配关系对水泵水力特性的影响,对3台模型泵开展能量特性与压力脉动同台对比实验,分别监测了进水流道、无叶区和压水室的压力脉动信号,并进行时域和频域分析.结果表明:泵运行流量越靠...     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动和转轮受力

水泵水轮机甩负荷过渡过程中,压力脉动和转轮受力剧烈变化,导致事故频发。本文采用动网格技术对某模型水泵水轮机的甩负荷过渡过程进行全流道三维数值模拟,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化特性及其演变的内流机理。结果表明:甩负荷过渡过程中,转轮进口回流的出现和发展显著增加了无叶区内流体的湍动能,使导叶与转轮之间的动静干涉明显增强,导致压力脉动幅值急剧上升,其最大值达到初始阶段的5倍以上;与此同时,转轮进口局部产生的回流使无叶区内的湍动能和压力脉动强度在高度方向不均匀分布;此外,转轮进口回流发展使叶道内流态分布失衡,产生低频旋转失速,导致转轮叶片所受力矩和径向力的波动幅值快速上升,最大波动幅值分别达到初始阶段的10倍和60倍,而尾水管涡带对其的影响处于次要地位。     

NUMERICAL SIMULATION AND ANALYSIS OF PRESSURE PULSATION IN FRANCIS HYDRAULIC TURBINE WITH AIR ADMISSION

In this article, the three-dimensional unsteady multiphase flow is simulated in the whole passage of Francis hydraulic turbine. The pressure pulsation is predicted and compared with experimental data at positions in the draft tube, in front of runner, guide vanes and at the inlet of the spiral case. The relationship between pressure pulsation in the whole passage and air admission is analyzed. The computational results show: air admission from spindle hole decreases the pressure difference in the horizontal section of draft tube, which in turn decreases the amplitude of low-frequency pressure pulsation in the draft tube; the rotor-stator interaction between the air inlet and the runner increases the blade-frequency pressure pulsation in front of the runner.     

张河湾抽蓄电站3号机组异常振动分析与处理

张河湾抽水蓄能电站3号机组在更换水泵水轮机转轮后,进行了一系列的调试试验。在准备甩75%负荷试验的升负荷过程中出现了异常的振动现象,异常振动主要频率成分为202 Hz和196.5 Hz。通过对压力脉动和顶盖振动在时域、频域及时频联合分析后,得出异常振动是转轮叶片出水边的卡门涡频率与转轮固有频率相接近而引发的水力共振现象。后来对叶片出水边进行了修型处理,处理后卡门涡诱发的共振现象消失。