水泵水轮机内部压力脉动特性研究

为了研究水泵水轮机内部不同部位处的压力脉动特性,采用计算流体动力学软件对设计工况点下水泵水轮机三维全流道内部流动进行了非定常数值计算,同时监测了蜗壳隔舌附近、顶盖处、转轮与活动导叶之间以及尾水管锥管处的压力脉动。通过分析计算所得的压力脉动结果表明:机组顶盖区域压力脉动相对较为明显,水轮机工况下的脉动频率以2倍叶倍频为主,水泵工况时脉动频率以1倍的叶倍频为主;对于转轮与导叶间的无叶区域,水泵工况和水轮机工况脉动频率均为1倍叶倍频,且该处的监测点的压力脉动频率主要由于转轮与活动导叶之间的动静干涉产生;在转轮内水轮机工况时的压力脉动频率呈现多样性,水泵工况时则都以转频的倍数为主;尾水管直锥段的主频率在最优工况下等于1倍叶倍频,振动幅值较小。     

不同开度下水泵水轮机飞逸工况压力脉动特性分析

为研究不同开度下混流式水泵水轮机流道内的压力脉动,采用Realizable k-ε湍流模型,进行了某模型水泵水轮机飞逸工况7个不同开度下的全流道三维非定常数值计算,并与实验结果进行对比,分析了其各区域压力脉动幅值和频率.结果表明:随着开度的增大,转速上升,水泵水轮机流道内的压力脉动幅值有所升高,增大到一定程度后会引起蜗壳内流动特性的改变;中间开度21 mm时活动导叶转轮区域及尾水管内压力脉动主频较其余两开度高而幅值有所降低;尾水管中压力脉动主频具有传递性且幅值随流动方向增大.     

非同步导叶对水泵水轮机制动工况下振动特性的影响分析

为研究带MGV(非同步导叶)装置水泵水轮机制动工况下机组振动特性,以某模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡(detached eddy simulation,DES)湍流模型,通过研究水泵水轮机制动工况下无叶区流动状态,分析设置MGV装置预开活动导叶后对流动的影响.选取预开导叶分别为24 mm和33 mm,并设计四种非同步导叶布置策略,通过全流道数值模拟获得机组在低负荷启动时振动的最优方案.结果表明:水泵水轮机的振动主要是由导叶后转轮前无叶区产生二次流与转轮内部叶道出口段回流而引起;预开导叶对制动工况下机组运行的振动问题具有优化作用.     

空化条件下水泵水轮机的脉动特性分析

为研究空化条件下水泵水轮机的压力脉动特性,采用RNGk-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,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.结合试验数据,针对机组处于不同空化阶段时的压力脉动特征进行了分析.结果表明:随着空化系数的改变,各个位置的频率成分几乎保持不变,幅值大小则受到了较为显著的影响.蜗壳进口的压力脉动主频以低频成分为主,幅值相差不大.导叶后转轮前无叶区的压力脉动主频为转轮转频,同时存在着叶频及倍频,幅值随空化系数的降低而逐渐增大.尾水管内的压力脉动主频皆为涡带的转动频率,随着空化系数的降低,尾水管进口和锥管上游的脉动幅值呈先迅速上升到最大值而后逐渐下降的趋势;当空化系数为极低时,幅值往往都会有所下降,但此时尾水管区接近于断流状态,对机组的安全稳定性是十分不利的.     

轴流转浆式水轮机桨叶的动应力特性

通过对轴流式水轮机全流道内流场进行13个稳定运行工况的非定常流场计算,得到不同工况下转轮桨叶表面非定常水压力载荷,并利用顺序流固耦合方法对桨叶在各种工况下的动应力特性进行计算分析。结果表明:在下游水位下降、机组水头升高时,机组在小功率工况下水力稳定性变差;同时表明机组长期在高水头小功率条件下运行时,由于水压力脉动引起的较大动应力是造成桨叶微裂纹的主要原因。计算结果可为水轮机其他零部件的应力特性及疲劳裂纹分析提供参考。     

混流式水泵水轮机密封间隙流动分析

基于N-S方程和RNGk-ε湍流模型,利用CFD软件CFX对含减压管和转轮上冠密封间隙的某水电站原型水泵水轮机进行三维定常全流道数值模拟.分别对上冠密封间隙值为1.5、3.0、4.5 mm时,出力为60%、70%、80%、90%、100%额定出力工况下的原型水轮机进行全流道数值计算,探讨不同转轮上冠密封间隙值对混流式水泵水轮机转轮上冠密封间隙腔、顶盖与上冠间的压力腔流场的影响;分析上冠密封间隙值的大小对机组稳定性的影响.结果表明:在出力相同的工况下,顶盖下压力腔中平均压力随上冠密封间隙值增大而增大;在不同出力工况下,压力腔中平均压力随间隙值变化的程度不同,随着出力的增加变化的程度会增大,而轴向力也会随着密封间隙的增大发生变化.     

带分流叶片水泵水轮机特殊工况内部流场特性

基于国内某抽水蓄能电站建立的水力模型并结合该模型试验报告,采用SSTk-ω模型计算带分流叶片水泵水轮机7.5°导叶开度下零流量工况附近的制动工况和反水泵工况,进行定常和非定常数值模拟,研究其内部流场压力分布、速度流线分布及径向力分布规律.结果表明:计算流体动力学数值计算可以很好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内部流场特性;制动工况下的流态很差,涡结构充满整个流道引起水流拥堵且成不对称分布;反水泵工况导叶和转轮出现了严重的流动分离,水流在叶片中上游发生冲击;分流叶片的存在减小了负压区域,降低了汽蚀现象发生的可能性,有助于水轮机内部水流流动更加平稳;带分流叶片水泵水轮机的径向力在一个周期内的变化规律与转轮叶片数强关联,峰谷值个数与叶片数相对应.     

混流式水轮机部分负荷下的叶片动载荷模拟

通过求解三维不稳定Reynolds平均Navier-Stokes方程,并采用RNGk-ε模型实现方程的封闭,对3个不同转轮在部分负荷下进行了包括导叶、转轮、尾水管在内的三维不稳定流动计算。结果表明:由于水轮机转轮的旋转,在部分负荷工况下,由尾水管内涡带引起的转轮内的压力脉动主要频率fr是转频fn与涡带压力脉动频率fd之差;同时转轮内压力脉动还有导叶通过频率和转频及其倍频等成分;在66%左右开度下叶片上压力脉动幅值一般大于80%左右开度下的值;在同一工况下,叶片背面的压力脉动幅值一般大于叶片正面的值。     

基于长短叶片混流式水轮机压力脉动分析

为了探讨长短叶片混流式水轮机的压力脉动规律,采用SST模型,探讨多种工况下水轮机的速度分布、压力变化以及多监测点的压力脉动情况。研究结果表明:转轮出口处流动过程极为复杂,蜗壳与转轮存在动静干涉,且随着流量的增加,蜗壳与转轮的动静干涉效应越明显。转轮区域压力脉动的产生是因为导叶出口水流流动不均匀,造成导叶及转轮间动静干扰。     

微水头灯泡贯流式水轮机支撑及导叶联合设计

为了研究在1m左右的微水头的工况下,不同导流结构对灯泡贯流式水轮机内部流态及能量特性产生的影响,通过数值模拟方法,对无活动导叶的原方案进行优化,结合两种不同的支撑及两种不同宽度导叶下共六种不同方案的水轮机进行内部流场分析及性能研究.结果表明:水轮机增加导叶后,使水流在进入转轮前产生环量,但也增大了转轮前流道的水头损失;宽导叶导流后水流的切向速度及动量矩最大,但在圆周方向水流分布不均匀;窄导叶对水流的影响小于宽导叶;弯曲型支撑则将支撑和窄导叶结合起来,也结合了两者的优点,结构简单,转轮前水头损失较小,转轮进出口动量矩不是最大的,但水流对转轮的作用力矩最大,效率提高了5.8%,达82.7%,叶片表面压力变化梯度较小,空化性能良好.     

基于改进粒子群算法的水泵水轮机多目标优化

为了提高带有长短叶片结构的水泵水轮机机组在运行中泵工况的运行效率,先对粒子群优化(PSO)算法进行线性变化的惯性权重及变化学习因子的改进,然后用改进PSO算法对水泵水轮机转轮结构进行优化.采取试验和数值模拟相结合的方式,以提高水泵水轮机泵工况的效率与扬程为目标,用近似模型和改进PSO算法结合的方法对转轮9个结构参数进行全局寻优.研究发现:在导叶开度9.8°下各工况的效率与扬程均有一定改善,额定工况点效率值提高0.56%,扬程提高2.10%;17.5°开度的额定工况点效率提高0.55%,扬程则提高0.018%,并且高效区得到一定拓宽;24.8°开度除小流量外其余工况点效率值与扬程均有明显提高;优化方案水泵水轮机泵工况内部流动特性得到改善.     

水泵水轮机制动工况内流特性分析

为研究水泵水轮机在制动工况运行时内部流动特性,在确定的等开度线上选取具有代表性的制动工况点,对其进行了全流道数值计算.选用SST k-ω湍流模型,采用SIMPLEC耦合算法,对选定工况点的机组整体流动域内的三维复杂流态进行了分析.结果表明:机组进入制动工况后流态总体上呈现出不稳定状态,多伴有大尺度漩涡的产生.其中蜗壳及固定导叶内流动较为平稳,自活动导叶进口处出现小尺度漩涡,在转轮中流态不稳定达到极致,叶道间出现大尺度漩涡;转轮进出口流动虽以水轮机工况流动方向为主,但受转轮内大尺度旋涡及离心力影响,回流严重流动紊乱,流态转入反水泵工况的趋势明显;尾水管内流动呈现显著的螺旋态,从进口开始流动回旋紧贴壁面,直锥段出现大幅回流反向进入转轮区域.此工况机组整体流域的复杂流动势必加剧机组的振动,对其稳定运行造成极大的影响.     

考虑水压力的混流式转轮振动特性分析

采用CFD技术对混流式水轮机进行全流道流动计算,将流动计算得到的水压力分布以离散点的形式作用于转轮过流表面;考虑离心力的作用并基于有限元技术,对混流式水轮机的整体转轮和单个叶片的振动特性进行了分析,对水压力和旋转离心力联合作用下混流式转轮振动特性的变化进行了研究.结果表明,在不同工况下运行时,水压力和旋转离心力对转轮和叶片的振动特性有不同程度的影响.在工程实际中应对此影响进行分析,为水力机组的稳定运行提供依据.     

低水头混流式水泵水轮机过流能力近似计算

为了保证电力系统的稳定运行和能源的合理利用,在综合利用的多能源小电力系统中,一般通过低水头抽水蓄能电站水泵水轮机进行调节.低水头水泵水轮机过流特性直接影响其性能和效率,而自身流道参数是影响水泵水轮机过流能力的主要因素.从低水头抽水蓄能电站水泵水轮机的工作特点出发,根据水泵水轮机工作原理推导出过流能力近似计算公式.通过数值模拟方法计算了不同水头工况的流量,并与近似计算公式结果进行了对比分析.结果表明两者基本一致,且相对误差较小,在5%左右.     

水泵水轮机转轮特性描述新方法及其工程应用

针对抽水蓄能电站仿真中Ｓｕｔｅｒ法描述水泵水轮机转轮特性时的小开度问题和多值问题，提出了一种以ｘ＝ａ１／ｅｖ１为横坐标来描述水泵水轮机特性的方法——对数曲线投影法。该方法不仅解决了导叶零开度、小开度转轮特性描述问题和转轮特性描述的多值问题，而且对压力平衡方程的满足是显式的，使寻找工况点常用的多变量求极值变为只针对ｘ的单变量求极值，便于求解，并具有较高精度。新方法在大开度区的计算结果与Ｓｕｔｅｒ法基本一致，而在零开度附近没有异常的压力脉动。新方法适应现代流体工程动态仿真的需要。     

水轮机尾水管水压力脉动与运行工况的关系

以三峡水电站水轮机工况为模拟条件,进行了混流式水轮机尾水管压力脉动试验研究,分析了在水头变幅较大的工况下混流式水轮机尾水管水压力脉动与转轮出口水流环疸及单位参数之间的关系。研究结果表明,适当选定混流式水轮机额定参数对减轻尾水管水压力脉动是十分有效的。     

水轮机尾水管水压力脉动与运行工况的关系

以三峡水电站水轮机运行工况为模拟条件,进行了混流式水轮机尾水管压力脉动试验研究;分析了在水头变幅较大的工况下混流式水轮机尾水管水压力脉动与转轮出口水流环量及单位参数之间的关系．研究结果表明,适当选定混流式水轮机额定参数对减轻尾水管水压力脉动是十分有效的．     

尾水管压力脉动的模拟与现场实测

通过求解包括导叶、转轮、尾水管3大过流部件在内的水轮机流道内的三维不稳定Reynolds平均Navier-Stokes方程,获得了不同开度部分负荷下的尾水管压力脉动特征和涡带特征。计算采用了RNGk-ε模型。对所计算的水轮机,在尾水管进人门中心对压力脉动进行了现场实测。计算与实测的比较表明,在开度为65%~80%的范围内,计算所得涡带压力脉动低频频率与实测值吻合良好;在80%左右开度下,幅值预测也很准确,但65%左右开度下,幅值偏差略大;结合尾水管内涡带运动特征,对计算方法进行了评价:由于所采用的k-ε系列模型为统计模型,计算的压力脉动未能反映实测中出现的高频成分。     

中心孔结构对混流式水轮机压力脉动的影响

针对混流式水轮机中广泛存在的压力脉动问题,通过3维非稳态流动分析方法模拟了4种中心补气孔结构对模型水轮机内压力脉动的影响。结果表明:中心孔补气可以缓解部分负荷工况下的压力脉动。从该文的模型水轮机分析,补气孔长度为30mm时,尾水管涡带的尺度减小。该补气方案可以较好地减轻水轮机内的压力脉动,并恢复尾水管中的静压。无论是否补气,尾水管中的低频成分都是水轮机压力脉动的主要成分,而且在偏低流量工况下,尾水管内的低频压力脉动将传播至导叶之前的流道。因此,减小尾水管中涡带运动规模是控制水轮机压力脉动的基本方向。     

叶顶间隙对贯流式水轮机空化流场的影响

为了研究空化流动下灯泡贯流式水轮机中叶顶间隙数值变化对其压力脉动特性的敏感性,揭示不同叶顶间隙值对灯泡贯流式水轮机非定常流动特性的影响.以某电站原型机为研究对象进行全流道数值计算和模型试验研究,用4种间隙δ变化方案对压力脉动特性进行比较.分析了叶顶间隙处的流场结构,并对数值计算结果和模型实验结果进行了对比.结果表明:文中所使用的方法可以基本反映出水轮机内部的流动情况;当空化系数开始降低时,水轮机的效率发生变化,水力性能降低,达到临界空化系数时,效率下降明显;受到空化加剧的影响,叶片背面处监测点的压力脉动幅值增加,靠近轮缘处幅值大于叶片中部和轮毂处,当局部压力降到空化压力以下时波动不再剧烈,"削波"现象产生;随着叶顶间隙值的增加,转轮间隙处空化程度加剧,空化形态由间隙空化演变为翼型空化,并出现泄漏涡空化;叶片反面轮缘处压力脉动主频与叶片转频相差不大,较大的叶顶间隙值可以有效降低轮缘处高频压力脉动,然而泄漏流动加剧会导致空化更为严重.因此,选取的叶顶间隙数值对于灯泡贯流式水轮机在稳定运行和降低振动噪声方面具有重要的意义.