水泵水轮机S特性形成机理的水动力学分析

发布时间：2017-11-01 06:02

  本文关键词：水泵水轮机S特性形成机理的水动力学分析

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【摘要】：混流式水泵水轮机的全特性曲线普遍存在S形区域,机组在水轮机工况启动过程中进入S区易发生流量震荡,造成并网困难,严重影响电站的安全运行。本文将模型试验与数值计算相结合,分别以最优开度线和小开度线情况分析水泵水轮机特性曲线形成S形的水动力学机理。以模型水泵水轮机为研究对象,对特性曲线进行了详细分析。结合多套水泵水轮机模型特性曲线发现,在第一象限发生S形弯折的”拐点”与其飞逸点并不一定重合。本文重点对S形区域极偏工况的”拐点”与附近工况点进行详细的三维流动特性分析。首先对最优开度线进行全流道多工况点的三维数值模拟,选取包括S区工况在内的五个点进行非定常数值计算。最优工况下机组整体流道内流动顺畅;”拐点”工况无叶区的流速沿周向分布为周期性的流入和流出,转轮叶片间出现明显的流动分离现象和大尺度漩涡流,阻塞了主流道,水流对转轮几乎不做功。在小流量的制动工况,无叶区内存在沿转轮周向流动的封闭“水环”,阻碍了水流的流进或流出,转轮叶片间充满了多个漩涡,阻碍了叶轮的运动,造成转轮不能在更高的转速下维持小流量状态的运行,在最优开度特性曲线上表现为在转折点开始发生S形的弯折。不同步导叶(MGV)能有效改善水泵水轮机的S特性,本文对比分析了有/无MGV时有/无S曲线的内流变化规律。选取两条小导叶开度线,MGV的同步导叶开度与其一相同,MGV整体开度与另一小导叶开度相同。对三条线上相似位置的6个极偏工况点进行非定常计算,分别为”拐点”、小流量点和反水泵工况点。计算发现小开度时内部流动较最优开度时复杂得多,流道内有明显涡流,导叶与转轮入口的来流角更大;采用MGV后,特性曲线的S形现象得到明显改善,在应发生转折的“拐点”工况,导叶间的漩涡流得到增强,无叶区内的高速环流在不同步导叶附近被局部破坏,使进入转轮内的水流增多,转轮内的涡流得到改善,提高了转轮在“拐点”工况的转速。且在小流量和反水泵工况也能大范围地破坏无叶区内的封闭环流,水流能够冲击转轮做功,维持转轮在该小流量工况下的高速运动。在特性曲线上表现为单位转速在拐点和小流量点均有明显的增大,且随着流量的减小,增加的趋势更明显,从而改善了S特性。
【关键词】：水泵水轮机 S特性 不同步导叶 水动力学 数值模拟
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK733.1
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 第1章 前言9-14
• 1.1 研究意义9-10
• 1.2 国内外研究动态10-12
• 1.2.1 水泵水轮机S特性流动机理研究10-11
• 1.2.2 改善水泵水轮机S形特性方面研究11-12
• 1.3 本课题研究内容12-14
• 1.3.1 最优开度线S区的水动力特性分析13
• 1.3.2 小导叶开度线S区的水动力特性分析13-14
• 第2章 水泵水轮机物理模型与数值方法14-26
• 2.1 混流式水泵水轮机及其模型试验14-16
• 2.2 特性曲线的拐点16-19
• 2.3 网格无关性检查19-22
• 2.4 数值计算设置22-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 最优开度S区水动力特性分析26-46
• 3.1 计算工况选取26-27
• 3.2 外特性参数的结果比较27-28
• 3.3 S区工况的定常结果分析28-34
• 3.3.1 流动特性分析28-32
• 3.3.2 流场的定量分析32-34
• 3.4 S区工况的非定常结果分析34-42
• 3.4.1 流动特性分析34-38
• 3.4.2 压力脉动特性分析38-42
• 3.5 最优开度线S区形成原因分析42-44
• 3.6 本章小结44-46
• 第4章 小导叶开度S区水动力特性分析46-78
• 4.1 计算工况选取46-48
• 4.2 模型试验与计算结果比较48-52
• 4.2.1 定常计算结果比较48-49
• 4.2.2 非定常计算结果比较49-52
• 4.3 定常计算结果分析52-61
• 4.3.1 拐点工况流动特性分析52-54
• 4.3.2 小流量工况流动特性分析54-56
• 4.3.3 反水泵工况流动特性分析56-57
• 4.3.4 流场的定量分析57-61
• 4.4 非定常结果分析61-73
• 4.4.1 流动特性分析61-66
• 4.4.2 压力脉动特性分析66-73
• 4.5 S特性区改善前后的内流机理分析73-76
• 4.6 本章小结76-78
• 第5章 结论与展望78-80
• 5.1 结论78-79
• 5.2 展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果86-87

【参考文献】

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本文编号：1125525