水轮机技术进展与发展趋势
发布时间：2021-09-23 18:25
水轮机作为水电能源开发的核心机械装备,其性能的优劣决定了水电能源的开发利用率。在现代科技进步的推动下,水轮机技术也取得了长足发展。我国水轮机技术的发展经历了引进、吸收、消化和再创造的过程,特别是近20年的快速发展使我国水轮机技术总体上达到国际先进水平。本文在全面综合国内外水轮机领域研究成果的基础上,以近20年来水轮机技术领域所取得的主要研究进展为重点,分水轮机水动力学基础、水轮机过流部件的优化设计理论及新型水轮机研制三部分对水轮机技术进展进行了综述,探讨了部分研究领域中存在的问题,并对水轮机技术的发展趋势进行了总结和展望。
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(08)北大核心CSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
轴流式水轮机中的间隙空化Fig.1TipclearancecavitationinKaplanturbines
上述三种空化现象外，水轮机内部最后一种空化现象是空腔空化，空腔空化是反击式水轮机特有的一种旋涡型空化现象，也是危害最大的一种空化现象。图1轴流式水轮机中的间隙空化Fig.1TipclearancecavitationinKaplanturbines水轮机内部的空腔空化通常出现在两个部位，一个是尾水管，一个是混流式转轮叶片通道内。尾水管内的空腔空化也称尾水管空腔涡带，常见于混流式水轮机。Susan等[18-19]对尾水管涡带开展了较为细致的研究，认为涡带的直径大小取决于电站的空化数，而涡带的几何形状取决于运行工况（见图2），在部分负荷工况下涡带呈现螺旋型，满负荷时为圆柱形。（a）部分负荷（b）全负荷图2不同运行工况的涡带Fig.2Vortexropesatdifferentoperationzones尾水管涡带所引发的振动、噪声是危害水轮机稳定运行的主要因素，所以很多学者针对该空化现象的形成机理及发展规律开展了研究。Iliescu等[20]、Gouin等[21]和Lai等[22]采用粒子图像测速、多普勒激光测速等多种内流场速度和压力量化测试方法研究了尾水管内周期速度分类及空腔涡带尺寸的时变规律。研究表明，涡带直径直接受电站空化数的影响，同时涡带核心在部分负荷的工况下存在反常的向下游的旋进运动。由于水轮机试验昂贵，因此更多的学者是通过CFD技术来捕捉空腔空化条件下尾水管内部的速度分布和压力脉动频幅特性。其中Susan等[23]和Foroutan等[24]更是寄希望于建立二维轴对称的涡带计算模型以简化涡带全三维模拟的复杂性，但他们提出的二维轴对称方法只可以预测空腔涡带的平均位置，无法准确预测尾水管中心附近湍动能的产生和扩散，对轴面速度的预估
康牟晃榷??态引发[49]，为了获得水泵水轮机内部精确的内流场特性，Eisele等[50]通过PIV和LDV测量技术，识别出了水泵水轮机内部不同类型的不稳定流动，包括转轮出口上冠处的流动分离、进口边脱流和旋转流动分离。虽然实验观测和内流场量化测试是最可靠的研究方法，但由于经济性限制使得CFD数值模拟仍然是研究水泵水轮机“S”特性的主要方法，如Xiao等[51]和Widmer等[52]就通过数值模拟识别出了水泵水轮机“S”特性区域内的流道进口回流、旋转失速等复杂流动特性（见图3），指明了无叶区内静止涡及旋转失速是“S”特性流动特征的根源。（a）静止涡形成（b）旋转失速图3静止涡形成和旋转失速的延伸[52]Fig.3Formationofstationaryvorticesandextensionofrotatingstall[52]水泵水轮机“S”特性本质是一种工程实际现象，对其开展研究的最终目的还是抑制该现象的发生。早在20世纪80年代，Kuwabara等[53]就开发了一种可抑制“S”特性的智能调速器，以改善水泵水轮机的稳定性，Klemm[54]也首次提出了非同步导叶措施以改善“S”特性。如今国内外学者对非同步导叶（MGV）进行了大量研究和分析[55-56]，研究表明，非同步导叶开启的方法是目前改善水泵水轮机“S”特性最成熟、有效的方法，该技术也在天荒坪、宜兴等抽水蓄能电站获得了实际应用。但这种技术仍存在一定问题，胡楠楠等[57]、陈铁军等[58]指出，预开启导叶开度的增加有可能会导致无叶区压力脉动幅值的提高，同时也会使得控制系统复杂化，增加了结构的振动。同时，他们也认为，解决水泵水轮机“S”特性最根本的方法仍然是从水力设计角度出
【参考文献】：
期刊论文
[1]西藏扎拉水电站冲击式水轮机选型设计探讨[J]. 何峰,胡定辉,何志锋,何昌炎. 水利水电快报. 2019(12)
[2]空化水动力学非定常特性研究进展及展望[J]. 季斌,程怀玉,黄彪,罗先武,彭晓星,龙新平. 力学进展. 2019(00)
[3]二阶斯托克斯非线性潮波对潮汐贯流式水轮机性能的影响[J]. 冯建军,朱国俊,王准,吴广宽,罗兴锜. 农业工程学报. 2019(02)
[4]鱼类通过混流式水轮机转轮时受压强及剪切损伤的概率分析[J]. 朱国俊,吉龙娟,冯建军,罗兴锜. 农业工程学报. 2019(02)
[5]灯泡式水轮机甩负荷过渡过程三维数值模拟[J]. 杨志炎,程永光,夏林生,尤建锋. 武汉大学学报(工学版). 2018(10)
[6]Analysis of the vortices in the inner flow of reversible pump turbine with the new omega vortex identification method[J]. 张宇宁,刘凯华,李金伟,冼海珍,杜小泽. Journal of Hydrodynamics. 2018(03)
[7]混流式水轮机转轮设计变量耦合强度分析[J]. 朱国俊,罗兴锜,冯建军,卢金玲,吴广宽. 农业工程学报. 2017(22)
[8]阿基米德螺旋叶片式水力发电设备简介与展望[J]. 张金凤,喻德辉,方玉建,谢立恒,唐留. 中国农村水利水电. 2017(02)
[9]混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响[J]. 冯建军,李文锋,席强,朱国俊,罗兴锜. 农业工程学报. 2017(03)
[10]潮汐机组双向发电性能数值模拟研究[J]. 杨春霞,郑源. 海洋技术学报. 2016(05)
硕士论文
[1]冲击式水轮机流固耦合数值模拟研究[D]. 蒋勇其.武汉大学 2017
本文编号：3406193
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(08)北大核心CSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
轴流式水轮机中的间隙空化Fig.1TipclearancecavitationinKaplanturbines
上述三种空化现象外，水轮机内部最后一种空化现象是空腔空化，空腔空化是反击式水轮机特有的一种旋涡型空化现象，也是危害最大的一种空化现象。图1轴流式水轮机中的间隙空化Fig.1TipclearancecavitationinKaplanturbines水轮机内部的空腔空化通常出现在两个部位，一个是尾水管，一个是混流式转轮叶片通道内。尾水管内的空腔空化也称尾水管空腔涡带，常见于混流式水轮机。Susan等[18-19]对尾水管涡带开展了较为细致的研究，认为涡带的直径大小取决于电站的空化数，而涡带的几何形状取决于运行工况（见图2），在部分负荷工况下涡带呈现螺旋型，满负荷时为圆柱形。（a）部分负荷（b）全负荷图2不同运行工况的涡带Fig.2Vortexropesatdifferentoperationzones尾水管涡带所引发的振动、噪声是危害水轮机稳定运行的主要因素，所以很多学者针对该空化现象的形成机理及发展规律开展了研究。Iliescu等[20]、Gouin等[21]和Lai等[22]采用粒子图像测速、多普勒激光测速等多种内流场速度和压力量化测试方法研究了尾水管内周期速度分类及空腔涡带尺寸的时变规律。研究表明，涡带直径直接受电站空化数的影响，同时涡带核心在部分负荷的工况下存在反常的向下游的旋进运动。由于水轮机试验昂贵，因此更多的学者是通过CFD技术来捕捉空腔空化条件下尾水管内部的速度分布和压力脉动频幅特性。其中Susan等[23]和Foroutan等[24]更是寄希望于建立二维轴对称的涡带计算模型以简化涡带全三维模拟的复杂性，但他们提出的二维轴对称方法只可以预测空腔涡带的平均位置，无法准确预测尾水管中心附近湍动能的产生和扩散，对轴面速度的预估
康牟晃榷??态引发[49]，为了获得水泵水轮机内部精确的内流场特性，Eisele等[50]通过PIV和LDV测量技术，识别出了水泵水轮机内部不同类型的不稳定流动，包括转轮出口上冠处的流动分离、进口边脱流和旋转流动分离。虽然实验观测和内流场量化测试是最可靠的研究方法，但由于经济性限制使得CFD数值模拟仍然是研究水泵水轮机“S”特性的主要方法，如Xiao等[51]和Widmer等[52]就通过数值模拟识别出了水泵水轮机“S”特性区域内的流道进口回流、旋转失速等复杂流动特性（见图3），指明了无叶区内静止涡及旋转失速是“S”特性流动特征的根源。（a）静止涡形成（b）旋转失速图3静止涡形成和旋转失速的延伸[52]Fig.3Formationofstationaryvorticesandextensionofrotatingstall[52]水泵水轮机“S”特性本质是一种工程实际现象，对其开展研究的最终目的还是抑制该现象的发生。早在20世纪80年代，Kuwabara等[53]就开发了一种可抑制“S”特性的智能调速器，以改善水泵水轮机的稳定性，Klemm[54]也首次提出了非同步导叶措施以改善“S”特性。如今国内外学者对非同步导叶（MGV）进行了大量研究和分析[55-56]，研究表明，非同步导叶开启的方法是目前改善水泵水轮机“S”特性最成熟、有效的方法，该技术也在天荒坪、宜兴等抽水蓄能电站获得了实际应用。但这种技术仍存在一定问题，胡楠楠等[57]、陈铁军等[58]指出，预开启导叶开度的增加有可能会导致无叶区压力脉动幅值的提高，同时也会使得控制系统复杂化，增加了结构的振动。同时，他们也认为，解决水泵水轮机“S”特性最根本的方法仍然是从水力设计角度出
【参考文献】：
期刊论文
[1]西藏扎拉水电站冲击式水轮机选型设计探讨[J]. 何峰,胡定辉,何志锋,何昌炎. 水利水电快报. 2019(12)
[2]空化水动力学非定常特性研究进展及展望[J]. 季斌,程怀玉,黄彪,罗先武,彭晓星,龙新平. 力学进展. 2019(00)
[3]二阶斯托克斯非线性潮波对潮汐贯流式水轮机性能的影响[J]. 冯建军,朱国俊,王准,吴广宽,罗兴锜. 农业工程学报. 2019(02)
[4]鱼类通过混流式水轮机转轮时受压强及剪切损伤的概率分析[J]. 朱国俊,吉龙娟,冯建军,罗兴锜. 农业工程学报. 2019(02)
[5]灯泡式水轮机甩负荷过渡过程三维数值模拟[J]. 杨志炎,程永光,夏林生,尤建锋. 武汉大学学报(工学版). 2018(10)
[6]Analysis of the vortices in the inner flow of reversible pump turbine with the new omega vortex identification method[J]. 张宇宁,刘凯华,李金伟,冼海珍,杜小泽. Journal of Hydrodynamics. 2018(03)
[7]混流式水轮机转轮设计变量耦合强度分析[J]. 朱国俊,罗兴锜,冯建军,卢金玲,吴广宽. 农业工程学报. 2017(22)
[8]阿基米德螺旋叶片式水力发电设备简介与展望[J]. 张金凤,喻德辉,方玉建,谢立恒,唐留. 中国农村水利水电. 2017(02)
[9]混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响[J]. 冯建军,李文锋,席强,朱国俊,罗兴锜. 农业工程学报. 2017(03)
[10]潮汐机组双向发电性能数值模拟研究[J]. 杨春霞,郑源. 海洋技术学报. 2016(05)
硕士论文
[1]冲击式水轮机流固耦合数值模拟研究[D]. 蒋勇其.武汉大学 2017
本文编号：3406193
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