浙江仙居电站水泵水轮机模型验收试验及水力性能分析研究

仙居电站水泵水轮机组是国内在建和已建的单机容量最大的抽水蓄能机组。电站水头高、变幅大、对水泵水轮机转轮的研収设计提出了很高的要求。本文详细介绍了仙居水泵水轮机的模型验收试验及结果,重点分析了仙居水泵水轮机转轮的能量特性、空化特性、压力脉动特性以及"S"形水力兲键特性等主要水力性能指标。结果表明仙居水泵水轮机各项指标突出、综合性能优秀。     

水泵水轮机开机过程水力特性研究

抽水蓄能电站水泵水轮机组在开机过程中产生剧烈的压力波动,转轮内复杂流动和压力脉动是引起固定部件强烈振动的主要原因之一。因此,需要对水泵水轮机开机过程的物理机理进行深入研究。本文同时建立了厦门抽水蓄能电站管路系统的一维特征线水力模型及水泵水轮机组过水流道的三维流场计算模型,开展了机组发电开机过程一维三维耦合的数值计算,重点分析了机组开机过程瞬时流动特点,以及转轮径向力和轴向力变化与外特性的内在关联性。研究发现,机组开机至空载状态时,由于导叶开度小、转速上升快,在无叶区形成了速率很高的水环,同时转轮流道内充斥着大量复杂的漩涡结构,导致了流量与转矩的突降。导叶动作、转速对径向力、轴向力的变化规律有直接的影响,开机过程中转轮径向力的变化趋势与活动导叶动作过程基本一致。轴向力的变化趋势与机组转速变化基本一致,转速和轴向水推力数值总体上为逐渐增大的趋势。本文研究结论为抽水蓄能机组和高水头混流式水轮机的开机过程物理机理和规律提供了有价值的参考。     

贯流式水轮机定常流动分析

为了了解贯流式水轮机内部流动特点,为贯流式水轮机稳定运行提供借鉴和参考,本文基于计算流体力学基本理论,使用商业软件CFX对水电站贯流式水轮机内部三维流场进行了全流道定常数值模拟,研究贯流式水轮机内部不同工况下的流动特点。通过计算结果表明,不同工况下水轮机内部流动变化很大。低水头工况在导叶头部驻点,转轮叶片正背面压力分布和尾水管进口压力变化与高水头工况存在较大差异,对转轮整体效率影响较大。所得结果可为贯流式机组的日常运行和优化设计提供借鉴。     

混流式水轮机转轮区叶道涡压力脉动数值研究

混流式水轮机在偏离最优工况区运行时,不但在尾水管中有明显的旋转涡带,在转轮区也会有涡束沿着叶片流出,我们称之为叶道涡.随着大型混流式水轮机的广泛应用,叶道涡有可能对机组的稳定运行产生影响.本文利用数值模拟技术对某混流式模型水轮机转轮内压力脉动进行研究.研究表明:转轮区的压力脉动主要是由叶道涡诱发的,叶道涡的频率基本等于转动频率.     

甩负荷过程水泵水轮机流激振动数值模拟研究

抽水蓄能电站甩负荷过渡过程中机组振动剧烈,有导致转轮疲劳破坏风险。为探究转轮流激振动特性,对水泵水轮机在甩负荷中的典型工况（时刻）进行CFD-FEM数值模拟,分析了压力脉动、转轮动应力和振动模态。结果表明：转速是影响转轮压力脉动和动应力的最重要因素,最大转速工况最危险,转轮内压力脉动最剧烈,叶片动应力值和振幅均大于其他工况;压力脉动导致转轮动应力波动,两者频谱特征一致;转轮最大动应力出现在叶片进口与上冠“T型”连接处,过渡过程中最大值均超过材料许用应力;水力激励力频率与转轮固有频率相差较大,转轮在计算工况发生共振的可能性较小。     

基于动网格技术的混流式水轮机转轮内部瞬态流动数值模拟

水电站过渡过程常常引起水力机组压力脉动、振动和水锤等现象,严重影响电站的安全稳定运行。为了准确捕捉水轮机在过渡过程中的动态特性,本文区别于常规的稳态分析方法,采用CFD计算软件Fluent14.0,利用基于有限体积法的动网格技术对某混流式水轮机的活动导叶和转轮组成的单流道进行了三维瞬态流动数值模拟。真实模拟了在大波动过渡过程中转轮内部流态的变化,分析了导叶关闭过程中转轮内部压力场和速度场的变化过程。计算结果表明:动网格技术能够较好地模拟水轮机转轮内部流场的动态变化,其计算结果为三维过渡过程的研究提供了理论依据。     

抽水蓄能机组调速器双微分通道的PID控制算法

抽水蓄能机组在低水头下启动运行时,受水泵水轮机"S"形特性的影响,空载工况下机组的单位转速相对较大,很容易进入反水泵工况区,导致不稳定运行。为了提高低水头下抽水蓄能机组的空载运行稳定性,在现有PID调节器的结构上增加了一个微分通道,研究了采用双微分通道的PID调速器控制算法。仿真计算证明,采用双微分通道进行调节,调速器微分环节在较宽的调节范围内都起作用,有效减小了抽水蓄能机组"S"形特性的影响,提高了机组在低水头空载时的稳定性。     

低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动研究

基于Realizable k-ε湍流模型,对某蓄能电站模型水泵水轮机进行几何建模,设定压力脉动监测点,进行三维全流道水轮机工况非定常数值计算,分析导叶开度为29mm,33mm,37mm和41mm四个工况下各监测点的压力变化,并与模型试验结果进行对比,研究水泵水轮机在低水头下的压力脉动特性。结果表明:Realizable k-ε湍流模型对低水头下水泵水轮机压力脉动的数值模拟可行,在大开度工况时更加精确;导叶开度为29mm时水泵水轮机内部监测点压力脉动最强,随着导叶开度的增加压力脉动在逐渐的减弱;转轮旋转形成的"活动导叶-转轮-尾水管"两级动静干涉,使活动导叶与转轮之间无叶区内监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律,对应主频为叶频,尾水管锥管段时域图也呈现周期性变化,并在其频域图叶频处出现一个峰值;肘管内监测点压力脉动由于尾水涡带的影响主频为0.17~0.56倍转频的低频分量。     

基于CFD的高水头水泵水轮机空化性能研究

由于高水头水泵水轮机的运行水头(扬程)和流量变幅大,水流流经转轮叶片时流速高,机组运行工况复杂多变,比常规水轮机更易发生空蚀。因此,进行高水头水泵水轮机空化特性的CFD数值模拟分析。首先对水轮机工况的几个工况点进行数值模拟,并与试验结果进行比较,验证了数值模拟的可靠性。其次分别对水轮机工况和水泵工况进行空化流动计算。计算结果表明,水轮机工况的空化主要发生在叶片和尾水管处;水泵工况的空化主要发生在转轮叶片上,吸力面空化比压力面严重。随着进口压力的不断降低,空化程度也越来越严重。     

旋转圆盘涡动过程中的流体力矩试验

本试验模拟了混流式水轮机转轮上冠在不均匀径向间隙情况下产生涡动时所受的流体力矩.通过模型实验和数值模拟研究了混流式水轮机涡动过程中作用在其上冠的转动流体力矩的基本特性.模型实验中水轮机转轮用一个圆盘来模拟,其上冠与外壳之间形成一个很小的轴向间隙.用圆盘圆周和外壳之间的径向间隙来模拟实际水轮机中的密封.内向流由外部水泵供...     

混流式转轮上冠型线变化对水轮机水力性能的影响北大核心CSCD

为了获得水电站水轮机技术改造中混流式转轮上冠型线变化时水轮机水力性能的变化规律,本文以某混流式水轮机模型转轮为研究对象,在原转轮上冠型线的基础上,提出了四种改型的上冠型线方案,采用CFD方法对不同上冠型线的转轮内部流动特性、能量特性、空化性能及过流能力进行了数值模拟和对比分析。结果表明:上冠型线的适当上抬可以增大转轮的过流能力,并且改善转轮在大流量工况下的能量特性和空化性能;但过高的上冠型线对小流量工况下的叶道涡的位置和强度有负面影响;与原转轮相比,方案4的效率略有提高;小流量工况时,上冠型线越高,叶道涡的位置越靠近叶片头部,且涡的强度越大,从而使转轮效率降低;大流量工况时,上冠型线上抬可能导致叶片进口靠上冠部分出现回流,进而导致压力分布不均匀;上冠型线的改变对最优工况下转轮效率和内部流动特性影响较小;可以为水轮机技术改造中转轮的改型设计与性能预估提供必要的参考。     

混流式转轮上冠型线变化对水轮机水力性能的影响

为了获得水电站水轮机技术改造中混流式转轮上冠型线变化时水轮机水力性能的变化规律,本文以某混流式水轮机模型转轮为研究对象,在原转轮上冠型线的基础上,提出了四种改型的上冠型线方案,采用CFD方法对不同上冠型线的转轮内部流动特性、能量特性、空化性能及过流能力进行了数值模拟和对比分析。结果表明:上冠型线的适当上抬可以增大转轮的过流能力,并且改善转轮在大流量工况下的能量特性和空化性能;但过高的上冠型线对小流量工况下的叶道涡的位置和强度有负面影响;与原转轮相比,方案4的效率略有提高;小流量工况时,上冠型线越高,叶道涡的位置越靠近叶片头部,且涡的强度越大,从而使转轮效率降低;大流量工况时,上冠型线上抬可能导致叶片进口靠上冠部分出现回流,进而导致压力分布不均匀;上冠型线的改变对最优工况下转轮效率和内部流动特性影响较小;可以为水轮机技术改造中转轮的改型设计与性能预估提供必要的参考。     

抽水蓄能机组泵工况分阶段启动及经济运行

在仙游抽蓄电站机组调相转抽水的过程中,由于导叶开启过快,使得电机功率改变量较大,导致电网频率波动较大。对此,本文提出了在泵工况采用导叶分阶段线性启动的解决方法。基于高扬程水泵水轮机模型转轮特性数据,研究了不同导叶开度时机组运行的稳定性;分析了水泵流量、轴功率、效率与扬程和导叶开度的关系,提出了确定泵工况高效经济运行最大导叶开度的方法。通过对水泵和水轮机工况区压力脉动的比较分析,得出水轮机工况的压力脉动比水泵工况相同位置的大得多,所以水泵工况也可以采用导叶开度分阶段开启方式的重要结论。对水泵零流量工况的分析表明,当水泵启动时,采用缓慢开启导叶的方式有利于避免发生较大的零流量压力脉动现象。同时,选择较小的导叶开启目标开度有利于减小零流量压力脉动强度。最后,水力过渡过程计算示例表明,在水泵启动过程每个阶段导叶保持不变的过程中,水压和轴功率波动幅度较小且很快衰减,机组能够稳定运行,发生超过水轮机工况压力脉动的风险微小。由于高水头或高扬程水泵水轮机转轮单位流量和力矩特性及压力脉动具有类似特点,上述结论也可供其它抽蓄电站参考。     

卧式灯泡贯流式水轮机真机协联寻优数值研究

众多实际电站的运行情况表明贯流式电站模型机与真机性能存在差异，使得很多电站投产后因协联关系不正确而频繁发生出力不足、剧烈振动等问题，但通过现场试验调整协联又耗时耗力。因此本文基于动网格技术，在考虑自由液面及水体重力的情况下对贯流式水轮机进行真机协联关系的数值寻优。结果表明：数值寻优前后低水头工况协联关系变化幅度更大，且低水头工况下效率对导叶开度变化敏感度更高，因此电站在丰水期低水头工况下更有必要对协联关系进行调整，数值模拟协联寻优对低水头工况指导意义更大；协联关系的变化对转轮靠轮毂处的水流流动影响较大，相对液流角增加，同时转轮出口靠轮毂处的正环量减小，很好地改善了尾水管内的回流及涡带分布状态，有助于减小尾水管内的水力损失，提高水轮机的水力效率。所以数值协联寻优对贯流机组的设计和现场试验具有一定的指导意义。     

水轮机工况下的水泵水轮机静态稳定

S区是水泵水轮机与常规水轮机转轮主要的差异，是导致水泵水轮机稳定性问题的主要因素之一。本文从单位流量Q11、单位力矩T11和单位转速n11基本定义出发，分别导出了全特性曲线上单位流量Q11与单位力矩T11对单位转速n11的导数，根据单位流量Q11与单位力矩T11的微分特征，结合定导叶开度情况下水轮机工况流量Q-工作水头H和反水泵工况流量Q-工作扬程H特性曲线，分别获得了水轮机工况和反水泵工况机组稳定运行需满足的条件。采用静态稳定理论获得了水泵水轮机在水轮机工况和反水泵工况稳定运行时工作水头/扬程扰动量所满足的关系，在此基础上给出了水轮机稳定运行需满足的条件并定义了S区。研究结果为建立水泵水轮机在水轮机工况的稳定运行区提供了技术支撑。     

混流式水轮机叶道涡形成分析及抑制研究

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出抑制叶道涡初生和发展的有效措施。研究表明,水轮机转轮不能适应流量较大范围的变化而导致转轮内稳定连续的压力梯度被打破可能是影响叶道涡形成的因素之一。通过压缩转轮流道,采用仿生流线型设计及控制叶片扭曲程度对转轮进行改型,能够有效抑制和推迟叶道涡的初生及发展,为进一步扩大水轮机的稳定运行范围提供参考。     

水泵水轮机水泵断电飞逸过程压力脉动CFD模拟

水泵断电导叶拒动导致机组飞逸是抽水蓄能电站的危险过渡过程,伴随水锤压强、水轮机流态、压力脉动、转轮受力发生剧烈波动,研究中必须综合考虑。由于常规过渡过程模拟只能考虑水锤波动,目前对后面几种特性缺乏了解。本文采用一维输水系统和三维水轮机耦合的CFD模拟方法,针对某模型抽水蓄能系统进行水泵断电飞逸过渡过程模拟。分析了流量、转速、转轮受力的宏观参数变化,发现在鞍形区及水轮机S区波动剧烈;分析了测点压强变化,发现整个过渡过程中压力脉动频率复杂,有高频低幅、高频高幅、中频中幅、低频高幅四类,在鞍形区及S区压力脉动幅值大,正常运行区附近幅值小;结合流态分析,发现高频脉动产生于动静干涉,中低频脉动来源于旋转失速和尾水管涡。     

灯泡式贯流泵站机组起动过渡过程仿真计算

为掌握大型贯流泵站同步电动机起动过程中水泵动态流量、装置扬程等水力量及同步电动机的起动电压、起动电流、机组转速等电气量、机械量参数随机组起动历时的变化过程，对贯流泵机组起动过程进行了详细的理论分析并进行了仿真计算。从泵系统整体出发，运用刚体动力学、流体动力学、水力机械全特性理论，分析泵机组系统起动过程中同步电动机的电磁驱动力矩、水阻力矩及其它各种阻力矩动力学特性，建立了大型贯流泵站起动动态过程数学模型，以淮安三站贯流泵为算例，通过仿真计算，揭示大型贯流泵泵站起动过渡过程中各种重要参数如转速、流量、扬程、转矩等随时间变化关系，研究成果对贯流泵站合理设计和安全可靠运行具有重要理论指导意义。     

基于精细化建模的抽水蓄能机组低水头背靠背启动多目标优化EI北大核心CSCD

为解决低水头工况下抽水蓄能机组背靠背启动因调速与励磁参数配合不当而失败的问题,提出一种基于精细化建模的多目标优化策略。首先,充分考虑液压执行机构、水泵水轮机及过水系统、同步电机等环节的非线性,建立能仿真抽水蓄能机组水轮机、水泵、发电机、电动机运行状态的水–机–电耦合精细化模型。重点分析水头因素对于背靠背启动过程的影响,得出启动过程的有关物理规律。针对拖动机转速稳定时间和被拖动机转速超调量双目标,利用多目标优化算法对4种典型启动规律进行多目标优化,并引入熵权法对最优解集进行排序。仿真结果表明,提出的背靠背启动多目标优化策略能有效地抑制拖动机深入反S特性区运行,优化结果可为大型抽水蓄能机组的背靠背启动控制策略制定提供决策支持。     

混流式水泵水轮机小开度S特性区内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,严重影响蓄能机组的安全稳定运行,其产生的内在原因和解决方法是目前研究重点。本文以模型水泵水轮机为研究对象,对小导叶开度下的水轮机及反水泵运行的多个工况进行了整体流道的三维数值计算,探讨小导叶开度下S特性区机组内部的三维流动特性。选取了性能曲线在S形区域的不同运行工况点进行内流特性分析,发现在飞逸附近工况导叶和转轮内主要表现为漩涡流;在制动工况活动导叶和转轮间的无叶区内表现为明显的"水环"状流态,仅有少部分水流能流入转轮;反水泵工况的流动则更加复杂,整个流道中均有大量的漩涡流存在。综合S特性区的三维流动特性发现,当机组运行在小流量制动工况时,无叶区内的回流会堵塞通道,造成转轮不能在更高的转速下维持该小流量状态的运行,表现为在特性曲线飞逸点附近开始发生S形的弯折。