抽水蓄能机组水泵水轮机模型测试

针对国内首次抽水蓄能电站水泵水轮机组第三方试验台同台对比试验,进行了水轮机模 型测试方法的改进,解决了水泵水轮机四象限试验、瞬时工况点数据采集、水泵大流量工况压力 面空泡观测等试验技术难点。模型试验取得了理想的效果:效率试验的测试不准确度小于 士0. 2 %,试验工况稳定、数据重复性好,采集的“S”特性区和反水泵区的数据点密集。此次试验 表明,国内试验台有能力完成抽水蓄能水泵水轮机组的模型验收试验,对推动我国抽水蓄能电站 的建设有积极意义。     

3D Two-way coupled TEHD analysis on the lubricating characteristics of thrust bearings in pump-turbine units by combining CFD and FEA

The thermal elastic hydro dynamic(TEHD) lubrication analysis for the thrust bearing is usually conducted by combining Reynolds equation with finite element analysis(FEA). But it is still a problem to conduct the computation by combining computational fluid dynamics(CFD) and FEA which can simulate the TEHD more accurately. In this paper, by using both direct and separate coupled solutions together, steady TEHD lubrication considering the viscosity-temperature effect for a bidirectional thrust bearing in a pump-turbine unit is simulated combining a 3D CFD model for the oil film with a 3D FEA model for the pad and mirror plate. Cyclic symmetry condition is used in the oil film flow as more reasonable boundary conditions which avoids the oil temperature assumption at the leading and trailing edge. Deformations of the pad and mirror plate are predicted and discussed as well as the distributions of oil film thickness, pressure, temperature. The predicted temperature shows good agreement with measurements, while the pressure shows a reasonable distribution comparing with previous studies. Further analysis of the three-coupled-field reveals the reason of the high pressure and high temperature generated in the film. Finally, the influence of rotational speed of the mirror plate on the lubrication characteristics is illustrated which shows the thrust load should be balanced against the oil film temperature and pressure in optimized designs. This research proposes a thrust bearing computation method by combining CFD and FEA which can do the TEHD analysis more accurately.     

水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动和转轮受力

水泵水轮机甩负荷过渡过程中,压力脉动和转轮受力剧烈变化,导致事故频发。本文采用动网格技术对某模型水泵水轮机的甩负荷过渡过程进行全流道三维数值模拟,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化特性及其演变的内流机理。结果表明:甩负荷过渡过程中,转轮进口回流的出现和发展显著增加了无叶区内流体的湍动能,使导叶与转轮之间的动静干涉明显增强,导致压力脉动幅值急剧上升,其最大值达到初始阶段的5倍以上;与此同时,转轮进口局部产生的回流使无叶区内的湍动能和压力脉动强度在高度方向不均匀分布;此外,转轮进口回流发展使叶道内流态分布失衡,产生低频旋转失速,导致转轮叶片所受力矩和径向力的波动幅值快速上升,最大波动幅值分别达到初始阶段的10倍和60倍,而尾水管涡带对其的影响处于次要地位。     

可逆式机组飞轮力矩的合理取值及敏感性分析

为了控制抽水蓄能电站中的大波动水力过渡过程,改善小波动稳定性,常考虑增大可逆式机组的飞轮力矩 GD2,但会造成投资增加。因此,有必要对机组 GD2 的合理取值及对调保参数的敏感性开展研究。在统计分析了 20 座涵盖高、中、低水头的可逆式机组的抽水蓄能电站相关设计参数的基础上,利用系统辨识的最小二乘法建立了可逆式发电－电动机 GD2 新的经验模型。继而,以实际工程为例,通过对机组 GD2 在不同取值情况下的甩负荷过渡过程进行了对比计算,分析了机组转速、蜗壳和尾水管进口压力、尾水调压井最高、最低涌浪水位等对 GD2 的敏感性。结果表明,本文提出的经验模型预测可逆式发电－电动机 GD2 的效果最佳,可作为初步设计阶段可逆式发电－电动机 GD2 的取值依据。尾水管进口最小压力和机组最大转速上升率对于 GD2 的变化最为敏感,而机组 GD2 对蜗壳最大压力、尾水调压井最高、最低涌浪水位等的影响较小; 机组 GD2 的最终取值及优化还需结合电站水力过渡过程计算综合确定。     

水泵水轮机泵工况旋转失速压力脉动特性及转动机理

水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行,叶道内易发生旋转失速,可诱发剧烈的低频压力脉动,严重影响水电站的安全稳定运行。本文采用尺度自适应(SST-SAS)湍流模型对某模型水泵水轮机泵工况进行全流道非定常数值模拟,得到不同工况点下旋转失速引起的压力脉动特性及失速涡团的周向转动机理。结果显示,在40%~80%设计流量下运行时,导叶区发生旋转失速,失速涡团的转动频率为叶轮转频的3.3%~8.1%。旋转失速发展强度越剧烈,转动越慢。旋转失速周向转动的机理是:失速与非失速相邻导叶流道内存在较大压力梯度,在其作用下,失速流道内流体从活动导叶与固定导叶之间通道流向非失速流道,加剧非失速流道内流动分离。被阻碍的水流与无叶区主流叠加流向下一流道,并在活动导叶吸力面进口前缘产生局部低压,导致当前非失速活动导叶流道在进口与出口之间的逆压梯度增强,使流体反向流动,流道产生失速。     

沙河抽水蓄能电站水泵水轮机参数研究

水泵水轮机参数的合理选择对抽水蓄能电站投资效益和安全运行具有十分重要的意义，通过各阶段水泵水轮机参数论证及参数选择、模型试验及商业运行结果，证实了沙河抽水蓄能电站水泵水轮机参数的合理性和先进性。     

高水头可逆式机组导叶与球阀的协联关闭

深入分析了高水头可逆式水泵水轮机和球阀各自流量特性的特点,提出了将导叶和球阀动作相配合的调节规律的优化思路.对某高水头抽水蓄能电站水力过渡过程的计算分析表明,这种调节规律能大幅降低水锤压力,有效防止反“S”区的水力振荡.     

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。     

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。     

基于超声波法与蜗壳差压法测流的可逆式水泵水轮机效率测试软件的开发及应用

为解决抽水蓄能机组水泵工况下的效率测试问题,研制开发了针对水泵水轮机的效率特性测试软件。该软件系统综合考虑了水轮机工况和水泵工况的效率测试,采用超声波测流法或蜗壳差压测流法完成水泵水轮机的绝对效率或相对效率试验。软件系统通过RS232/485串口和采集仪实时采集和传输各试验参数,并可对采集数据进行分析计算和图形化显示,方便地获得水泵水轮机效率特性。现场应用表明,该软件系统设计合理、运行稳定、数据计算结果准确,具有一定的推广价值。