中高水头水电站水轮机导叶关闭规律鲁棒性综合评价

水电站的导叶关闭规律影响水力瞬变过程，应具有良好的鲁棒性能。本文运用罚函数和权函数从蜗壳水压最大上升率、尾水管最大真空度、机组转速最大上升率等3个方面对水轮机大波动过渡过程评价指标进行分析，构建了导叶关闭规律鲁棒性的综合评价方法。采用正交试验法，评估了中高水头水电站不同拐点时间、拐点开度和导叶有效关闭时间对这3个调节保证参数的影响。结果表明：导叶有效关闭时间对调节保证参数的影响相对较小，而拐点开度和拐点时间显著影响水锤压强和机组转速之间的平衡。导叶关闭规律的综合评价结果不仅可使各调保参数具有足够的安全裕度，而且具备良好的鲁棒性，可为中高水头水电站导叶关闭规律的合理选择提供参考。     

抽水蓄能机组导叶关闭策略优化方法研究

为了解决水电站大波动过渡过程运行安全问题,综合考虑蜗壳水击压力极值和转速上升极值两个目标,建立了抽水蓄能机组导叶关闭策略多目标优化模型,提出了基于改进多目标引力搜索算法(IMOGSA)的抽水蓄能机组导叶关闭策略优化方法.利用该方法得到包含蜗壳水击压力极值和转速上升峰值的帕累托非劣解集,采用模糊满意度评价法在帕累托非劣解集中选出兼容性最好的解,并与多目标粒子群算法进行对比,结果表明利用IMOGSA优选的导叶关闭策略能有效提高对抽水蓄能机组水泵断电工况的控制水平.     

基于多路径传递的水电站厂房流激振动分析

为研究水电站厂房流激振动传导机制,对振动传递路径进行了分析,采用重整化群(RNG)k-ε模型对混流式水轮机蜗壳、导叶、转轮及尾水管全流道进行了三维非定常湍流计算.基于湍流计算结果对转轮部件上的脉动压力进行了积分计算,给出了解析计算和数值模拟相结合的轴向水推力脉动特性计算方法,并沿着蜗壳/尾水管→厂房结构、转轮→轴系→机架基础→厂房结构这两条振动传递路径对厂房振动进行了计算分析.结果表明:整个流道内压力脉动程度较大的区域主要集中在尾水管直锥段以及弯肘段,频率主要为0.83和1.02 Hz,即转频的1/5和1/4,受尾水管低频涡带向上游传播影响,蜗壳区也出现了低频脉动压力;轴向水推力是机组垂直动荷载的重要部分,具有明显的脉动特性,转轮上冠与顶盖、转轮下环与基础环之间的空腔压力是形成轴向水推力的主要组成部分;蜗壳/尾水管→厂房结构这条振动传递路径是最直接也是作用最明显的,是厂房振动的主要诱因.     

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。     

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.     

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.     

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。     

基于全流道非定常模拟的混流式水轮机尾水管入口处水力特性分析

采用RNGk-ε湍流模型对某长短叶片式混流式水轮机在小开度工况下的全流道进行了非定常模拟,得到了尾水管进口处的速度、涡强分布情况,以及尾水管进口处的压力脉动曲线。     

泵作透平尾水管压力脉动特性分析与试验

为研究泵作透平尾水管压力脉动特性及内部流动机理,采用试验与雷诺时均非定常数值计算相结合的方法,对尾水管内部压力脉动及其上游过流部件对其内部流动特征的影响进行分析,得到不同位置监测点处的压力脉动特征。研究结果表明:蜗壳内压力脉动主频为叶片通过频率,动静干涉作用是引起透平蜗壳内压力脉动的主要原因;由于上游蜗壳内产生的压力脉动传播到叶轮导致叶轮流道内除主频轴频外还存在1个次主频叶频;小流量时尾水管中心区域出现回流现象,但是随着流量的继续增加回流现象逐渐消失;透平尾水管内压力脉动主要为上游蜗壳内压力脉动传播所致,动静干涉作用是其产生的主要原因;随着流量的增加,透平内部压力脉动主频幅值增加,且大流量工况下达到最大值。     

对水轮机导叶最优关闭规律的探讨

水电站运行的大波动过渡过程中,为了最大限度地减少水压上升值与转速上升值,通过导叶关闭规律来解决大波动过渡过程中水电站的运行安全问题是最经济的有效措施之一.目前,普遍采用导叶两段或三段关闭规律,实践表明,随着水轮发电机组容量的增大和水轮机工作水头范围的增大,这种固定的两段或三段导叶关闭方式不能有效地控制机组在大波动水力过渡过程中的稳定性.提出了根据水轮机工作参数的变化实时地改变导叶关闭方式的非固定模式的导叶关闭方式,能更有效地提高水电站运行的稳定性和安全性.     

桨叶调节对轴流式水轮机甩负荷特性影响研究

提出了轴流转桨式水轮机模型甩负荷过渡过程三维非定常数值模拟方法,采用动网格及网格重构方法实现了甩负荷过程中导叶和桨叶的动态关闭过程,获得了相关工作参数变化规律和内部流场变化情况.结果表明:计算得到的转速和测点静压变化规律与模型试验结果较一致,最大转速误差约为1.8%,验证了三维数值模拟方法的可靠性;当甩相同负荷,导叶采用相同关闭规律时,导叶关闭规律对参数变化起着决定性作用;最大向上轴向力出现在导叶关闭结束时刻,合理设置导叶关闭分段点位置将有效改善过渡过程品质;桨叶小角度关闭对抑制转速上升和压力波动作用不明显,反而会加剧轴向力波动和最大向上轴向力值,从降低最大向上轴向力防抬机角度,桨叶保持不动比桨叶小角度关闭更有利.本研究实现了桨叶与导叶双重调节的动态仿真.     

应用三维空间导叶的混流式水轮机流动

为减小混流式水轮机转轮内的叶道涡,设计了两种三维空间导叶,推导了流量调节方程,采用了全三维全流道的湍流计算方法,完成了从蜗壳进口到尾水管出口,包含所有流道在内的数值计算;并进行了模型对比试验。结果显示:应用三维空间导叶对水轮机能量性能没有太大的影响,但是增大了活动导叶上部的水流出口角,从而减小了转轮叶片进口处的冲击,尤其是在高水头、小开度情况下,上冠处的冲击和脱流比二维常规导叶有明显改善,降低了叶道涡发生的可能性,提高了水轮机的运行稳定性。     

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。     

基于LBM的贯流式水轮机甩负荷特性研究

基于格子Boltzmann方法(LBM),采用壁面自适应局部涡黏模型,对原型贯流式水轮机甩额定负荷的瞬态过程进行了大涡模拟,获得了在活动导叶两段关闭方式下水轮机甩负荷过程中转轮转速、水力矩、轴向力等工作参数的变化规律,探讨了贯流式水轮机在甩负荷过程中导叶和转轮前后的水压变化.计算得到甩负荷过程中转轮最大转速上升率为36.7%,满足电站甩负荷调节的要求.较慢的导叶关闭速率可以降低水压力波动的幅度.对甩负荷过程中水轮机各过流部件内的瞬态流场进行了分析,结果表明:在水轮机甩负荷过程中,水流冲角的变化使得叶片表面产生低压区从而引起空化空蚀,在转轮和尾水管内部存在湍流涡及复杂的二次流动,影响系统的运行稳定性.     

尾水管涡带引起的不稳定流动计算与分析

尾水管内涡带引起的不稳定流关系到水电站机组的安全。针对一个混流式水轮机的典型部分负荷工况,采用PISO(pressure-implicitwithsplittingofoperators)方法,计算了尾水管内部由于涡带引起的不稳定流场,预测了涡带脉动频率以及尾水管各断面上压力脉动。结果表明,涡带压力脉动频率约为转频的1/3,与实际观察到的脉动频率相符。在此基础上,分析了尾水管直锥段、弯肘段和扩散段内的压力脉动特征以及尾水管内压力脉动对转轮内压力的影响。     

液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.     

基于VOF模型的抽水蓄能电站全过流系统水轮机工况数值模拟

为了更加全面地分析抽水蓄能电站水轮机工况的流动特性,建立包括引水隧洞、调压井、高压管道、水泵水轮机以及尾水隧洞的全过流系统几何模型,采用两相流VOF模型对不同导叶开度的水轮机工况进行三维湍流数值模拟,计算各过流部件的水力损失,并详细分析了机组段流场。结果表明:抽水蓄能电站的水力损失主要发生在机组段,而输水系统的水力损失相对较小,约占总水力损失的18.6％;导叶开度不同从而引起叶片压力面与吸力面的压力差不同,这是导致转轮水力损失不同的主要原因;尾水管内的流态与导叶开度有关,开度越小,在尾水管进口处越容易形成回流,水力损失越大。      

抽水蓄能电站泵工况断电过渡过程数值试验

建立包括引水系统、调压井、水泵水轮机组与尾水系统等部件的抽水蓄能电站几何模型,采用基于VOF两相流模型的三维湍流计算方法对其泵工况断电过渡过程进行了数值试验研究,获得并分析了若干参数随时间的变化规律和不同时刻流场的演变过程,与电站原型试验资料进行了对比.结果表明:机组转速、蜗壳和尾水管进口静压极值与试验结果基本一致,三维湍流过渡过程研究方法具有较高精度.电站外特性变化剧烈,依次经历水泵、制动和水轮机瞬态工况.各部件流场的演变与外特性的变化密切相关,相互影响.制动工况流量变化存在"拐点",相应时刻反向流量最大,叶片压力不均匀,尾水管流态较差,有明显的水击现象.     

水电站引水系统取消尾水调压室过渡过程计算研究

对洪家渡水电站引水系统在设置尾水调压室和取消尾水调压室两种情况下的过渡过程进行了计算研究。计算表明,通过考虑机组特性、优化机组导叶关闭规律及合理整定调速器参数,该水电站取消尾水调压室的方案是可行的,其各设计参数控制值基本上能满足设计要求。计算成果已作为该电站设计方案比较的依据之一。     

水电站尾水管水击与尾水调压室涌波联合计算

糯扎渡水电站的最大工作水头为215m，安装了9台机组；其尾水系统采用3台机共用一个调压室和一条尾水隧洞的布置方式，无工程设计经验借鉴，应进行水击和调压室涌浪的研究．为此，采用特征线法．以尾水支洞与调压室连接处的压力为纽带，对该水电站尾水管水击和调压室涌浪进行了联合求解，模拟了典型工况尾水管的水击时间过程和调压室涌浪时间过程，得出了尾水管的最大水击压力和其发生的位置，以及调压室的最低涌浪水位数值计算结果与试验结果基本吻合．尾水位在最低和正常水位之间变动，突甩负荷时，尾水系统不会产生真空：调压室最低涌浪水位高于设计所要求的最低涌浪水位，说明该尾水系统的设计是合理的．