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.     

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。     

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。     

混流式水轮机尾水管涡带及压力脉动数值模拟

应用ANSYS等相关软件对混流式水轮机进行全流道非定常数值模拟,分析了在偏工况下低流量的3种随开度不断变化的工况,模拟由部分负荷区到高部分负荷区的尾水管涡带及压力脉动的变化情况。应用CFD数值模拟,观察到尾水管随导叶不同开度变化时,尾水管涡带由双螺旋涡带到单螺旋涡带至柱状涡带的变化过程,并分析了相应工况之间的压力脉动频率及脉动幅值的变化规律。这对尾水管压力脉动产生机理的深入研究有着十分重要的意义。     

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。     

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。     

水电站厂房结构振动响应的神经网络预测

水电站厂房结构振动主要是水力、机械和电磁三大类振源引起的,厂房结构与机组之间存在明显的耦联作用,厂房结构和机组振动系统呈明显的动态耦合效应和非线性特征。本文在对实测厂房结构与机组振动响应关系分析的基础上,提出应用神经网络预测方法可在不考虑结构精确的数学力学模型的前提条件下,得出被研究对象的非线性振动特性,即通过机组的振动和尾水脉动的监测数据预测厂房结构的振动。该方法应用于三峡水电站厂房结构的振动预测,结果与实测结果基本吻合。     

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.     

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.     

水轮机压力脉动的测试分析与评价

近几年来,国内外一些新投入运行的大型电站在稳定性运行方面遇到了不少问题,有的已经解决,有的则还没有找到问题的原因,影响了电站的稳定运行。三峡水电站2003年已有多台机组投入运行,其将来能否安全稳定运行是人们共同关心和担心的问题。针对水轮机的稳定性问题,国内外进行了大量的研究工作,水轮机的压力脉动无疑是最受关注的问题之一。但是,     

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。     

直埋式蜗壳结构动力响应特性真机测试分析研究

水电站直埋式蜗壳的钢衬和外围混凝土完全联合承载,蜗壳内部的静动态内水压力很大的比例可以外传至外围混凝土结构,从而引起蜗壳结构较大的振动反应。采用数学统计和Welch法的功率谱估计分析方法,针对机组升负荷运行时蜗壳振动测试信号进行分析处理。结果表明,在升负荷运行时,尾水管脉动压力为主要水力振源;蜗壳内部脉动压力、蜗壳外围加速度与尾水管脉动压力变化趋势基本相同;同时揭示了直埋式蜗壳脉动压力振动能量的衰减、传递规律。可为直埋式蜗壳的机组与厂房的振动评估及动力反馈分析提供可靠的依据。     

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。     

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。     

水轮机尾水管压力脉动分析方法研究

为掌握石家庄混合蓄能水电厂某水轮机尾水管的压力脉动特性.对水轮机尾水管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,通过相空间重构理论,对尾水管压力脉动信号序列进行相空间重构,根据确定嵌入空间维数大小的嵌入定理.保证相空间容纳原状态空间吸引子的特征,选择恰当的嵌入维数m,计算其分形关联维数.再现动力学特性.研究结果表明,基于分形关联维的水轮机尾水管压力脉动状态分析方法是可行的.     

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。     

水力发电机组的振动特征

介绍了有关水力发电机组和吸水管／尾水管的振动资料和实用经验，引用不同的故障况例说明振动预测对于水力发电厂维修的好处，对于水力发电厂机组的典型振动和噪音给以图解分析，对于不平衡、涡轮气蚀、不对中、吸水管／尾水管共振、止漏环的腐蚀、尾水管的功率摆动和100Hz的铁心共振等导致水力发电机的振动／噪音做了特征分析。     

混流式转轮出口流速分布的PIV测试研究

转轮出口速度分布好坏直接影响尾水管内压力脉动的大小,是影响稳定性的内在因素之一。本文针对HL220改型的模型试验,对转轮出口的速度内流分布,采用2D-PIV激光内流速测试设备对锥管内径向面进行了内流测试,给出了最优工况下转轮出口处径向面的流动瞬态分布,清楚显示了尾水管进口位置在最优工况下的流动非定常特征与细节。试验结果表明,PIV内流测试是进行转轮出口流动测量的一种可靠方法,结果为研究尾水管内的流动分布提供了必要的依据和边界条件。     

基于ANSYS水电机组过流场特性分析

水流在水轮机内部的流动是一种扭曲、复杂的空间运动,且由于实际运行中的各种因素影响,往往会产生空化空蚀、压力脉动等现象,严重影响机组的安全稳定运行。应用ANSYS软件建立机组全流道三维几何模型,并进行网格划分。采用Fluent 17.0软件,对某电站机组进行数值模拟计算,分析蜗壳、导叶、转轮及尾水管等过流部件内部压力场、速度场的分布规律,与理论分析情况相符。作为水轮机优化设计辅助手段,该方法可预估水轮机内部的流动规律。     

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。