提高水泵水轮机流动可视化图像质量的方法

利用PIV流场测试技术,对低比速混流式模型水泵水轮机转轮在水轮机工况下进行了可视化研究。为了改善图像质量,采用图像去噪与锐化等图像处理方法对提高图像解析精度和减少错误矢量有一定作用,尤其采用图像运算增加图像信息量的方法,是一种改善图像质量非常有效的方法。     

水泵水轮机泵工况下内部空化特性分析

为研究空化条件下水泵水轮机泵工况的内部空化特性,基于ANSYS CFX(有限元分析)软件采用k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程,对某抽水蓄能电站模型机进行了全流道非定常空化流动数值计算。根据模拟结果预测了水泵水轮机泵工况工作无空化时的能量特性和空化发生时的空化性能,并与试验数据对比。结果表明:流场数值计算成功地捕获到了空化发生、发展及空间演变过程;随着空化数的变化,空泡在叶片背面进口附近产生,然后沿着流线向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增大向叶片工作面扩展,直接影响叶片上的压力分布和叶片中间流线上叶片载荷分布;在空化严重时,会造成叶轮流道内流动紊乱和严重堵塞,导致效率的大幅下降,对机组安全稳定运行非常不利。     

水泵水轮机转轮加装短叶片前后的流动特性对比

为对比高水头水泵水轮机的转轮加装短叶片前后的能量特性及流动特性,基于SST湍流模型,选取4个具有代表性的水泵及水轮机工况,对有/无短叶片的水泵水轮机进行全流道三维定常计算。数值模拟结果表明,以水泵运行时加装短叶片可抑制脱流与漩涡等二次流现象,降低单个叶片承受的水力载荷,提高转轮进出口、导叶区及蜗壳静压,使泵获得更高的扬程。水轮机运行时添加短叶片可减小转轮出口环量,改善在尾水管内形成的复杂漩涡流,提高其水力效率。相同边界条件下,长短叶片转轮改善了转轮区的流动条件,从而提升了机组的能量特性及水力稳定性。     

水泵水轮机主要参数选择对机组运行稳定性的影响分析

水泵水轮机主要参数的选择对机组运行稳定性的影响尤为重要,且能够对机组运行稳定性造成影响的参数较多,为探寻不同参数对机组运行稳定性的影响,本文根据已建和在建项目的运行情况和模型试验结果等经验,通过公式拟合等手段为新建机组推荐合适的参数选择,减少前期设计的不确定性,为今后抽水蓄能前期设计工作提供一定借鉴,为将来新建机组的稳定性打下基础。     

水泵水轮机低水头空载运行的压力脉动研究

针对水泵水轮机的S特性和压力脉动致使机组产生剧烈振动,从而破坏构件甚至引发事故的问题,以宝泉抽水蓄能电站#1水泵水轮机为例,采用CFD数值计算方法计算了6种工况下5个测点的压力脉动特征值,并将不同测点的压力脉动频域图与试验值进行了对比分析。结果表明,采用非同步导叶装置会使压力脉动增强,指出改变流道流态是解决压力脉动的关键,为当前机组的稳定运行提供了建议,也为压力脉动的深入研究提供了技术支持。     

混流式水轮机改造前后内部流动特性对比分析

为探究混流式水轮机改造前后的能量性能、空化性能及水力稳定性,基于流场数值模拟方法,对改造前后的水轮机进行全流道三维定常空化湍流计算及全流道三维非定常湍流计算。结果表明,改造后的水轮机临界空化系数降低13%,效率提高6.2%,且改造后水轮机转轮与活动导叶交界面处4个监测点脉动幅值最大降低17.8%,最小降低7.1%,该水轮机组的抗空化空蚀性能及可靠性均得到极大的提高,对混流式水轮机组的改造有一定的指导作用。     

混流式水轮机转轮内部流动的准三元有限元解

本文介绍了用有限元法进行水力机械转轮内部流动的准三元计算方法。推导了对水力机械更为适用的S_1和S_2流面的普遍方程。对一高比转速混流式水轮机转轮,进行了包括上冠和下环在内的5个S_1流面的计算,用S_1流面的解构造一个中心S_2流面进行迭代求解。给出了详细的计算结果。     

水泵水轮机在水轮机工况下转轮内不稳定流动及其演化

为了揭示水泵水轮机水轮机工况转轮内的不稳定流动及其演化过程,以模型混流式水泵水轮机为研究对象,对选定导叶开度下水轮机S特性区附近工况进行数值模拟研究,捕捉该开度下的转轮内不稳定流动并进一步揭示其产生机理。结果表明：沿等开度线,转轮内部出现了非定常涡以及旋转失速。其中,旋转失速表现出稳定的周期性特征,失速团造成通道严重阻塞,并以亚同步转速在叶片通道内传播。进一步分析表明,旋转失速由转轮内的非定常涡发展而来,涡结构发展造成的部分叶片通道阻塞促使了这一转化过程。     

基于固液两相流动的低比转速混流式水轮机转轮内部流场模拟

以云南省境内某调峰调频电站的低比转速混流式HLA351水轮机为原型,利用软件Pro/E对其转轮进行三维实体建模,采用混合四面体非结构网格对转轮模型进行网格划分,以固液两相流动数学模型为理论基础,将完成网格划分工作的转轮模型导入Fluent软件,采用SIMPLE算法,在笛卡尔坐标系中利用κ-ε-Ap两相紊流模型分别对仅有主叶片的水轮机转轮(长模型)以及主、副叶片结合的转轮(混合模型)在含沙水两相流动时的内部流场进行三维定常数值模拟。结果表明,混合模型转轮内流速和压力的分布相对于长模型更合理,从转轮进口到出口,速度差和压力差均较大,转换成旋转机械能的水能所占比重更大,水轮机效率更高,且相同部位上混合模型遭受磨损的情况更轻、性能更优。     

水泵水轮机“S”特性区的流动机理及研究进展

水泵水轮机作为抽水蓄能电站中实现能量转换的核心部件,也是抽水蓄能技术国产化过程中的关键。本文介绍了水泵水轮机近几十年国内外的研究发展现状,针对水泵水轮机由于结构的特殊性在"S"特性区内低水头运行时常发生机组并网困难或者在甩负荷过程中水压异常上升的问题,通过描述"S"特性区的形成机理并从形成机理、设计方法、研究方法和流道内部不稳定流动特性等方面入手分析了现有相关研究中存在的问题,总结了"S"特性区对抽水蓄能电站的不利影响及其相对成熟的预开导叶法,并且认为今后的研究重点为优化水力设计。     

负倾角水泵水轮机转轮水轮机工况压力脉动特性研究

为了系统地研究负倾角转轮机组在额定出力工况及50%出力工况下机组不同位置的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站负倾角转轮为基础,通过三维建模软件UX建立全流道计算域,然后采用ANSYS ICEM和TURBOGrid划分全流道结构网格;并采用ANSYS CFX进行数值模拟得到各压力监测点压力脉动信号。计算结果表明,在两种工况下,机组压力脉动主频均为叶片倍频;负倾角转轮机组压力脉动振幅沿负z方向明显升高;机组压力脉动振幅随流动方向先升高后降低,在无叶区位置达到最大值。     

可逆式水泵水轮机多目标优化设计及流动研究

传统水泵水轮机设计方法设计周期长、成本高,且十分依赖于设计经验。为此,介绍了一套适用于水泵水轮机设计的多目标优化设计系统,利用该优化设计系统,以叶片载荷和叶片倾角为优化变量,以水泵额定工况点的机组效率、水泵空化性能、水轮机额定工况点的机组效率及水轮机最优工况机组效率为优化目标,对某抽水蓄能电站的水泵水轮机转轮进行了优化设计,得到了优化转轮。结果表明,该系统非常适用于转轮多目标开发设计,相比于初始转轮,优化后转轮4个优化目标均得到不同程度的提升;在水轮机额定工况下转轮流线分布明显改善,有效提高了转轮叶片最低压力值。     

水泵水轮机反水泵工况的特性研究

为了解水泵水轮机反水泵工况的水力性能,以某抽蓄电站为例构建了水力模型,采用SSTk-ω模型和Presto差分格式模拟反水泵工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证.结果表明,反水泵工况的扬程与流量关系曲线及特性曲线均呈抛物线分布;活动导叶开度越大,进入反水泵的转速越高,流量越大;反水泵工况存在大量的回流涡结构,反水泵的能量损失主要集中于活动导叶的入口和出口处;转轮内存在的脱流现象主要分布在叶片吸力面进口处和压力面出口处;流量越低,转轮流道大尺度涡结构越多,乃至充满整个流道.该结论为水泵水轮机“S”特性的研究提供了依据.     

福建周宁抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验分析

本文介绍了福建周宁抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验的过程,分析了模型试验的结果.试验结果表明,模型水泵水轮机的效率、流量、压力脉动等各参数均符合采购合同的规定,符合电站安全运行的要求.以模型试验的数据为基础,可计算出原型性能,为原型的设计及制造、安装及运行提供了可靠的依据.     

活动导叶头部圆半径对水泵水轮机飞逸特性的影响研究

以中国某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机为研究对象,通过改进活动导叶头部圆半径r,基于Realizable k-ε湍流模型,分析改进活动导叶头部圆半径r对水泵水轮机飞逸特性的影响,充分发挥水泵水轮机在抽水蓄能中的核心作用。结果表明：减小头部圆半径r至(r-0.313) mm,对机组“S”特性存在较佳的改善效果;飞逸工况下无叶区的高速水环逐渐减弱。流体由活动导叶进入转轮叶片流道的过程中,流体的速度由活动导叶出口附近逐渐增大,受高速水环的影响,在无叶区达到最大,随后速度逐渐减小进入转轮,保持在某个较大速度持续流动;飞逸工况下1～5流道转轮叶片进口端旋涡沿着流道逐渐扁平且向转轮叶片后移扩散。转轮叶片进口端旋涡附近压强变化整体呈下降趋势,在叶片进口端出现峰值,转轮叶片进口端旋涡附近压强大小随旋涡位移以及强度而变化;飞逸工况下尾水管的直锥管段分布着大量涡带,且涡带沿着弯肘段逐渐后移到扩散段。回流主要集中在尾水管扩散段边壁附近,在距离转轮中轴线300～500 mm处,回流逐渐减少。     

水泵水轮机启动过程转轮叶片受力分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况启动过程转轮区域流态对叶片载荷的影响,以某水泵水轮机模型为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型开展水泵水轮机全流道三维数值计算,运用UDF技术和动网格方式,控制启动过渡过程活动导叶的开启过程,分析机组启动过程中转轮的转速变化,并与试验结果进行对比。结果表明：数值计算与试验结果吻合度较高,该文数值计算准确可行;启动过程中,在0~5 s区间,转轮叶道中间分布明显沿周向规律分布的叶道涡,叶道涡随开度的增加及转轮叶片来流条件的优化逐渐变小然后消失;启动过程来流与转轮叶片工作面发生冲击并在此区域形成高压区,导致叶片工作面进口位置压力载荷集中、相同半径处叶片工作面背面压力差较大。启动过程中转轮叶片来流与叶片工作面发生冲击是叶片压力载荷集中以及叶道涡的主要诱因。     

水泵水轮机导叶动态水力矩特性分析

采用SST k-ω湍流模型对某高水头水泵水轮机进行全流道三维非定常数值模拟,分别对在水轮机工况和水泵工况运行下的导叶动态力矩特性进行分析。结果表明:在水轮机工况下,随着流量的增大,不同位置处导叶的动态水力矩变化规律一致,力矩值由正值变为负值,力矩脉动频率与转轮叶片数相关,流量越大,叶频影响越显著;在水泵工况下,最高扬程工况时导叶水力矩脉动频率主频为转频且脉动幅值较大,而最低扬程工况下导叶水力矩脉动主频为叶频,力矩脉动幅值较小。     

高水头大变幅混流式水轮机尾水管内部流动分析

为探究高水头大幅变化对混流式水轮机尾水管涡带的演化及对压力脉动的影响,以国内运行水头变幅最大的紫坪铺水电站水轮机为例,通过三维建模及定常和非定常条件的CFD分析,研究混流式水轮机在相同开度下最大水头、设计水头和最小水头三种工况的流动特点.结果 表明,最小水头工况下尾水管内部流态较乱,尾水管中存在螺旋型空腔涡带,主要分布...     

上海电网燃机调相运行研究与经济性分析

随着电力资源进一步的优化配置,特高压直流将西部清洁能源陆续输送至负荷集中区域,满足了社会生产的需要,实现了低碳清洁供电。但直流集中馈入受端电网的规模大幅增加,给受端电网的安全稳定运行带来了新的挑战。随着大规模直流集中馈入,上海电网的电压调节控制能力明显受到影响,这种影响在直流系统换相失败动态过程和低谷情况下显的尤为突出。为了满足系统稳定性的要求,上海电网采用燃气机组调相运行弥补电网无功短缺和过剩问题。针对上海地区燃气机组进行燃机低功率调相运行试验和经济成本分析。试验结果表明,燃机低功率运行时,稳定性较好,调节无功范围较大;发电机静态稳定裕度大、温度低、厂用电压在可控范围。试验对上海电网燃机调相范围提供了重要试验依据,为上海电网安全稳定运行起到了积极作用。