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。     

混流式水轮机尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测

混流式水轮机尾水管内螺旋形涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机组振动的主要根源之一,严重威胁机组的安全运行.本文基于CFD技术对一大型混流式水轮机尾水管压力脉动进行了数字化预测,文中首先对该水轮机在典型偏工况下尾水管的内流进行了长时间非定常计算,然后详细讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律,并预测了尾水管的不规则压力脉动,最后对压力脉动预测值进行了分析,结果表明其波形、频率、相位与实际基本一致,证明文中压力脉动的预测方法是可行的.     

非定常流弯肘型尾水管不规则压力脉动预测

尾水管内螺旋状涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机机组振动的主要原因之一,直接威胁机组的安全运行。为此,提出一种基于CFD数值计算的水轮机尾水管压力脉动数字化预测法,并利用此法对一大型混流式水轮机偏工况下尾水管内水流流动进行了长时间非定常流计算,讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律,预测了尾水管的不规则压力脉动,压力脉动分析结果表明,其波形、频率、相位与实际基本一致。     

三维非定常湍流尾水管涡带计算研究

混流式水轮机弯肘型尾水管在部分负荷工况下产生带气泡的尾水涡流, 涡流在离心力的作用下形成与水流共同旋的涡带，由此产生的低频压力脉动是混流式水轮机面临的一个普遍性问题。水轮机中存在的水力压力脉动现象将诱发转轮叶片疲劳破坏。更有甚者对整个机组、厂房构成威胁, 严重影响了机组的安全稳定运行。本文采用全流道三维非定常流动数值模拟方法, 研究三峡混流式水轮机在部分负荷工况运行时，由尾水管涡带以低频的周期在尾水管内旋进引起的压力脉动现象。采用全流道非定常流动粘性湍流计算，计算结果表明在各记录点都捕捉到了涡带低频压力脉动：频率为0.333Hz, 是转频1.25Hz的3.75分之一，相近工况模型试验实测涡带频率为5.31Hz, 是转频18.62Hz的3.51分之一，从涡带频率看计算结果与试验测量结果一致。     

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。     

偏工况下混流式水轮机压力脉动数值仿真及其改善措施研究

某电站混流式水轮机组在部分负荷时机组出力大幅摆动,真机试验结果显示尾水管涡带频率与发电机低频振荡频率接近,二者产生共振导致功率波动。本文采用CFD方法对该电站混流式水轮机进行了三维非定常数值模拟,对包括电站现用泄水锥、加长型泄水锥、在尾水管内安装阻尼栅、在尾水管内安装导流板等4种方案下水轮机内部非定常流动进行了仿真,对比分析了各种方案对尾水管内涡带形状和压力脉动的影响。计算结果表明:加长泄水锥能降低压力脉动的幅值,但不能改变压力脉动频率;相比于阻尼栅,在尾水管中安装导流板能更有效地改变尾水管水压力脉动的主频并减小压力脉动的幅值,且对水轮机效率的影响较小。     

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。     

混流式水轮机转轮倒置安装轴向水推力的计算

目前大中型水电站混流式水轮机轴向水推力大，尾水管中涡带所产生的压力脉动常引起机组振动。如水轮机转化倒置安装，将向下的轴向水推力改为向上，可以抵消机组转动部分的重量；如改变尾水管形状，可以消除涡带压力脉动，减小机组振动。以漫湾电站为例，经过计算说明正常安装与倒置安装轴向推力轴承负荷可大大减小。但倒置安装后其结构问题尚需进一步研究。     

基于不同涡识别准则的水轮机尾水管涡带形态识别研究

尾水管涡带为混流式水轮机在部分负荷工况运行下,尾水管内水流出现的一种螺旋状涡旋运动现象。尾水管涡带是水轮机流动不稳定的表征,涡带诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接严重的影响且易造成疲劳破坏,因此在复杂的三维黏性湍流中辨识出涡结构及其演化过程、深入分析涡结构对水轮机水力稳定性研究非常有必要。该文基于k-ωSST湍流模型对运行在42.35%额定出力的某混流式模型水轮机进行了尾水管内部流动特性的实验测试与数值研究,数值压力脉动幅值及主频与实验测试吻合得比较好,误差分别约为2.70%和2.62%。进一步,采用压力等值面法、Q准则、λ_2准则及近年新发展的?涡准则以及Liutex涡矢量方法进行尾水管涡带形态识别研究。结果显示:等压面法在捕捉涡带形态上能力明显不足,涡带尾部过早断裂消失;尽管?准则具有阈值选择范围较小的优点,然而却过高地预估了涡带尾部形态;Liutex方法与Q准则和λ_2准则在涡带形态捕捉能力上相当,均能清晰、合理地显示旋转涡带的形态。     

原型混流式水泵水轮机过渡过程中的压力脉动

电力市场日益增长的需求导致水泵水轮机频繁地改变运行工况,在偏离设计工况条件下,不得不历经压力脉动幅值较高的区域运行。混流式水泵水轮机的压力脉动主要由动静干涉、旋转失速以及尾水管涡带等不稳定流动引起的。然而,当前关于过渡过程中压力脉动的研究偏少,通常侧重于稳态运行。本文根据现场实测压力数据,采用Savitzky-Golay方法提取过渡过程中的压力脉动,并利用FFT、STFT等方法进行信号处理,揭示了实际抽水蓄能电站水泵水轮机甩负荷过程中压力脉动组成成分和相对强度变化的普遍规律。结果表明:蜗壳进口、无叶区在经过飞逸点后压力脉动将由高频的动静干涉和低频旋转失速共同组成,其动静干涉幅值极值分别出现在制动工况和飞逸点,旋转失速幅值极值均出现在飞逸点以后的制动工况。尾水管压力脉动组成频率则集中在低频区,与涡带和不稳定流态有关。     

混流水轮机尾水管压力脉动脉似分析方法（续）

本文阐述了一种在已知模型综合特性曲线的条件下，利用数据拟合的方法来近似地计算混流式水轮机尾水管中压力脉动特性的方法。     

混流式水轮机尾水管压力脉动试验分析

压力脉动产生于机组运行过程的非定常流场,是引起水轮机组振动及不稳定运行的主要水力振动源之一。其中,尾水管的螺旋状涡带是引起水力振动的最主要因素。本文通过对混流式水轮机模型试验,研究了混流式水轮机尾水管内压力脉动与空化系数、泄水锥形状及补气量的相互关系。     

混流式水轮机启动状态下转轮与尾水管压力场特征分析

为了研究混流式水轮机在启动过程中产生的水力激振，通过数值模拟方法，研究了非定常流场中转轮与尾水管压力场变化特征，揭示了混流式水轮机在启动过程中压力场幅值和频率的变化与涡绳的发展过程之间的内在关系。结果表明：在启动过程中，转轮内同一个叶片的同一个表面不同位置的点受到的压力变化趋势并不相同，甚至存在相反的情况；叶片表面压力最大压力值出现在靠近叶尖位置，其压力约为平稳运行时的110.9%;最小压力值出现在叶根处，其压力约为平稳运行时的95.8%;且无论混流式水轮机在启动状态下还是最佳效率点，叶片压力面均存在低周的压力脉动；转轮经历静止到最佳效率点的压力波动幅度大约为稳定运行时的一半，而尾水管在启动状态下压力波动幅度与稳定运行时的压力波动基本相当。     

混流式水轮机尾水管不稳定流的模拟

如果在设计阶段能够预测转轮和尾水管的性能，那么就能够节省时间和成本。在本研究中，对部分负荷条件下混流式水轮机尾水管中的不稳定流场作了数值模拟。在计算中，转轮和尾水管是联合的。结果成功地表示了尾水管中的偏心涡带和引起的压力振荡。     

水轮机补气的原理和技术

对混流式水轮机在部分负荷运行时的尾水管涡带压力脉动,常用补气的方法解决。国内外在补气方面作了大量的试验研究。很多水轮机安装了各种类型的补气装置。但对补气消除涡带压力脉动的原理还有误解,特别是补气装     

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.     

国外解决尾水管中不稳定流的几种办法

水轮机尾水管中存在不稳定流,形成压力脉动,引起机组振动,是混流式水轮机和轴流定桨式水轮机运行中的突出问题。国内外都在寻求解决压力脉动的方法。一般都用向尾水管补气或设置导流栅、阻水栅等措施,但R.H.西克却提出改进尾水管和转轮泄水锥的设计也能消除压力脉动,提高机组运行的平稳性和效率,并在许多机组上取得了令人满意的结果。     

基于CEEMDAN的HHT方法在混流式水轮机尾水管涡带分析中的应用

混流式水轮机尾水管涡带引起的低频压力脉动现象严重影响水电机组运行的稳定,目前急需对机组运行时的涡带状态进行实时分析。尾水管振动包含丰富的机组运行信息,通过处理振动信号可以有效提取其中的低频压力脉动成分。考虑到振动为非平稳时变性信号,频率成分多,低频特征提取难度大,涡带分析需兼顾时域与频域,因此引入基于完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)的希尔伯特-黄(HHT)变换对振动信号进行信号分解与时频转换。研究从尾水管振动信号中分解出了分布在1 Hz～300 Hz频率内的4～8种频率成分,通过其中低频压力脉动信号的时频特征,对尾水管涡带进行分析。结果表明,该方法可以准确判断混流式水轮机运行过程中的尾水管涡带情况,在涡带识别领域具有适用性与时效性。     

不同导叶开度下混流式水轮机尾水管内部流动及压力脉动分析

为探究活动导叶开度对混流式水轮机尾水管内部流动及压力脉动的影响,通过建立西南某电站混流式水轮机三维全流道模型进行定常和非定常条件的数值模拟,研究混流式水轮机在额定水头不同导叶开度下的尾水管流动特性及压力脉动。结果表明：随着导叶开度的增加,尾水管直锥段出现明显的交替旋涡并引起尾水管低频压力脉动,尾水管内压力及速度分布的均匀性逐渐变差,尾水管弯肘段监测点压力脉动主频幅值先增大后减小。尾水管涡带是引起尾水管产生低频高幅特征压力脉动的原因。