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。     

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。     

水泵水轮机在S特性区的流态及压力脉动研究

抽水蓄能机组的四象限特征曲线存在着S形曲线,抽水蓄能机组运行工况复杂,机组经常在多个工况之间转换,机组在水轮机和水泵状态之间频繁切换,都会穿越S形曲线。S特性可以导致水泵水轮机机组产生强烈的振动,使得机组并网困难,振动剧烈,甚至因压力超标严重影响电站的安全稳定运行。在业界的共同努力下,S形问题对工程投运影响已经得到了根本解决,但是S形问题的诱发机理并不十分清楚。因此该文以某模型水泵水轮机为研究对象,通过全流道非定常数值模拟和基于全特性试验的粒子图像测速法（particle image velocimetry,PIV）相结合,根据机组的运行特性,选取水泵水轮机三个开度下的13个工况点内部流动特性及压力脉动特性进行了研究。综合数值模拟及试验结果,获得空载工况,小流量工况及反水泵工况下无叶区漩涡的运动规律。分析了漩涡结构对无叶区压力脉动特性的影响。结果表明,空载工况对S特性区压力脉动幅频特性存在影响,空载工况与无叶区压力脉动存在必然联系。各工况点下无叶区压力脉动主频大部分工况为叶片通过频率,即9 f_n（f_n为转频）,部分工况受尾水管压力脉动影响主频...     

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。     

基于PIV技术的混流式水泵水轮机转轮内流态特性研究

混流式水泵水轮机的稳定性对机组并网的安全性具有关键影响,转轮内的流态特性是分析水泵水轮机稳定性的重要依据。该文对转轮内流态特性进行了研究,首先,建立流动可视化PIV实验模型;利用相关法,根据采集的粒子图像的分辨率,确定相关域和搜索域;在实验用的模型水泵水轮机的特性曲线上选取12个典型工况点,分析其参数;利用PIV方法,得到各工况下转轮中的流态;最后,分析转轮叶片进口冲角和导叶开度对转轮内流态的影响,进一步明确了混流式水泵水轮机内部流态与运行工况之间的关系。     

混流式水泵水轮机转轮径向间隙对周围流场特性的影响

混流式水泵水轮机转轮周围流场的特性会影响机组的稳定性,以某机组真机尺寸的全流体域k-ω模型进行CFX非定常仿真研究,共设置5组间隙组合模型,模拟机组在3个导叶开度下的运行状态。通过对无叶区、顶盖下腔和底环上腔内各个测点压力数据的分析,揭示了不同转轮径向间隙对周围流场特性的影响程度,明确了无叶区和顶盖下腔、底环上腔内压力脉动在机组运行过程中的变化规律和相关性,从而为混流式水泵水轮机的结构优化和水力优化提供了一定依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

15度斜式轴流泵装置水动力特性实验研究

15度斜式轴流泵装置是我国近年在低扬程、大流量泵站引入的一种新型泵装置,由于出水流道前端呈S形弯曲,流道内的二次流导致某些工况下压力脉动和振动较大,这一问题尚有待深入研究。本文针对浙江盐官泵站技术改造所研制的新型15度斜式轴流泵装置进行了水动力学特性的实验研究。研究发现,与泵段相比,斜式轴流泵装置的最优工况点向负叶片角度和小流量区偏移。泵装置在较小叶片角度下的空化特性优于大叶片角度;当装置空化余量低到使泵装置效率下降1%时,叶片背面出现占据近1/3叶道区域的空化区。斜式轴流泵的飞逸转速在较大负叶片角度时可达额定转速的1.73倍。斜式轴流泵压力脉动在导叶出口、出水弯管和出水流道内明显高于常规立式轴流泵;从水泵进口方向看,当叶轮逆时针方向旋转时,斜式轴流泵装置出水流道隔墩左侧流量大于右侧。本文研究成果为大型斜式轴流泵站优化设计和稳定运行提供了新的科学依据。     

水泵水轮机增减负荷过程三维流动特性大涡模拟分析

采用大涡模拟(LES)对水泵水轮机增减负荷过渡过程进行三维非定常数值模拟,捕捉到了不同开度下叶道中多种涡系结构,展示了叶道涡涡量分布,分析了水轮机工况及水泵工况小流量运行区的流动结构变化特性,揭示了水流进口攻角与叶道涡涡系结构关系,对各类叶道涡不同形态进行了研究并提出了马蹄涡识别变量,并对比分析了水轮机工况及水泵工况涡结构变化特性。计算表明水泵水轮机的水力稳定性与机组运行工况改变时的流动结构特性密切相关,在增减负荷过渡过程中,叶道涡结构的尺度及分布范围均随时间发生较大变化,是影响流态发生巨变的主要因素。     

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。     

抽水蓄能机组工况转换过程中无叶区压力特性

抽水蓄能机组无叶区压力脉动是机组及厂房振动的重要振源之一,尤其在工况转换过程中对厂房及机组振动起到决定性作用。考虑到工况转换过程属于典型的非稳态时变过程,本文采用时域混频幅值方法与时频分析中的短时傅里叶分析方法对抽水方向调相转抽水与发电方向调相转发电过程中无叶区压力信号进行了分析。研究结果表明:工况转换时无叶区水环吸收功率受球阀工作密封投退影响,工作密封退出后至顶盖排气阀关闭前时间段内吸入功率恒定,不受排气回水过程影响。工况转换时,因密封退出导致水环增厚,恶化了无叶区压力脉动情况。抽水方向调相至抽水工况转换与发电方向调相至发电工况转换时,无叶区压力脉动分别在转轮造压过程中和小负荷区达到最大值。工况转换过程中,无叶区存在明显的动静干涉频率和一倍叶片过流频率。一倍叶片过流频率均起源于球阀密封退出瞬间,抽水方向调相转抽水时动静干涉频率起源于尾水与转轮接触时,而发电方向调相转发电时动静干涉频率与一倍叶片过流频率同时产生。     

Experimental investigation of the circumferential distribution of pressures in the lower seal of a mixed-flow pump-turbine runner

Conclusions