混流式水轮机尾水涡带不稳定性及改善策略研究

发布时间：2020-06-17 09:50

【摘要】：在当今世界能源转型和我国科技长征的大背景下,能源行业面临着从粗放的资源密集型运营方式向高效的科技密集型运营方式转变,这意味着相关上游行业和相关研究应该增强创新并保证可靠。水电作为成熟的可再生能源在并入电网时应保证其可靠性,所以水轮机机组运行时应尽力避免振动,维持整个机组的运行稳定性。造成机组不稳定的一项重要原因就是压力脉动,尤其尾水管中的低频压力脉动是造成机组剧烈振动的重要原因之一。当水轮机运行在非设计工况,这种压力脉动的来源主要是尾水涡带,由于尾水涡带引起的压力脉动在某些情况下甚至可能毁坏整个机组、管路系统甚至厂房。在不同工况下,尾水管中的涡带形态特征,发展规律都呈现出不同的特性,成为制约水轮机稳定运行的重要因素。所以大量学者针对尾水涡带做了深入研究,主要集中在尾水涡带的形成机理,发展特性,以及改善措施,尝试寻找合理可行的方法来抑制尾水涡带,减少由涡带引起的压力脉动。本文选取混流式水轮机作为研究对象,以理论分析,模型实验并结合数值模拟的手段,详细分析尾水管各个部分内流场特征,研究尾水管涡带的形成机理和泄水锥改型对涡带不稳定性和压力脉动特性等的影响,尝试寻求高效高精准的手段来改善涡带,减弱由于涡带旋转带来的不良影响。同时为后续的相关研究做好铺垫和探索,推进水电行业发展。(1)结合水力实验台进行的水轮机模型实验得到的录像,分析水轮机运行在不同工况下所产生的不同涡带形态及其发展规律。将水轮机在运行特性曲线划分为无涡区,碎涡区,旋转涡区,柱涡区等。其中16mm开度下旋转涡带具有典型的螺旋状结构,随着转轮同向旋转,周期性“抽动”尾水管。并着重研究在此工况下泄水改型对涡带形态的影响,并采用傅立叶变换对实验数据进行处理,发现泄水锥改型可以改变涡带形态并影响尾水管压力脉动。(2)分别选取旋转涡区的完整旋转涡带,破碎旋转涡带和柱涡区的完整柱涡带,破碎柱涡带4种不同的工况,采用稳态数值模拟的方法,探究涡带的形成机理并对其进行不稳定性分析。在旋转涡区,由于转轮出口存在速度环量和压力梯度作用,可形成螺旋状有形涡带,且尾水管入口处的流动状态为相对不稳定流动,所以在此处增加泄水锥可以有效改善涡带。(3)在原型泄水锥的基础上对泄水锥进行改型,选择典型的螺旋状涡带和柱状涡带工况进行稳态计算,对比不同结构形式泄水锥对各个部件流场信息的影响,发现异形泄水锥有利于帮助流体轴向流动,从而使得涡带舒展伸直,长直泄水锥则会在一定程度上减小轴向主流,导致涡带螺旋加剧。而在柱涡工况下长直泄水锥会使得涡带旋转加剧,但是异形泄水锥则会强化射流。(4)选取16mm活动导叶开度工况进行非定常全流道计算,可以确定尾水管的低频压力脉动来源于尾水涡带,且脉动幅值与螺旋状涡带的旋转半径正相关。尾水管入口可能存在的高频脉动来源于动静干涉,但进入尾水管后会逐渐消失。泄水锥改型对脉动主频略有影响,基础泄水锥和异形泄水锥可以大幅削弱动静干涉,对于在降低压力脉动幅值方面长直泄水锥效果更好。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK733.1
【图文】：

云图,实验装置图

图 1-1 实验装置图Favrel[22]使用模型实验的方法验证了混流式水轮机闭环水力系统共振观的实验结果准确性。Arpe[23]发现了高比转速混流式水轮机的极品值是刘道 2.5 倍，并说明压力波动激励源在尾水管弯肘。洪礼聪等[24]结合卷积神经网波系数云图使用智能识别的方法，提取出涡带的形态。Nilsson 等[25]基于对动急剧膨胀的实验研究，使用四种不同的模型进行数值模拟预测非空化涡生运动和发展，结果表明 DES 和 LES 能够很好预测平均速度分量和湍流等[40]采用空化模型进行数值模拟，发现空化系数决定了涡带的可见性。郭用滑移网格技术和大涡模拟方法，捕捉到了尾水管近壁湍流特性及分离现ang 等[39]对比了混合模型和长模型对数值计算结果准确性的影响，结果表模型可以降低二次涡的产生概率。高忠信[29]等采用全流道非定常的模拟方了数值模拟可行性。钱忠东[30]使用 4 种不同的湍流模型对流态进行模拟，明湍流型与网格尺度不存在单调线性关系。麻全[31]对比了两种常用的湍流标准 k-ε 模型、k-ωSST 模型），发现使用不同湍流模型计算会从不同角度影结果，但都接近实验数据。

水轮机运行,工况点,涡带

图 2-1 水轮机运行工况点分布2 为四个涡区的涡带形态。当水轮机运行在旋转涡区和柱涡和破碎涡带两种情况，如下图所示。完整涡带边缘清晰，形模糊，没有清晰规整的边界，并伴随有大量游离的气泡。由管压力脉动较小，所以本文着重研究旋转涡区以及柱涡区。

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