水泵水轮机“S”区流动特性及预开导叶布置方案研究

发布时间：2020-05-01 15:20

【摘要】：在抽水蓄能电站发展越来越快的今天,可逆式水泵水轮机这种一体化机组凭借着结构、运行方式、效益等更加优于普通水轮机的特点,逐渐成为今天商用抽水储能电站首先考虑使用的机组形式。而随着电站机组容量的与日俱增,对于机组稳定可靠运行的要求也越来越高。而可逆式机组容易在启动、甩负荷的过程中进入“S”特性区域,导致机组运行变得不稳定,造成机组并网困难。现阶段使用的预开导叶的方法可以有效的改善甚至规避水泵水轮机的“S”特性,但不同的导叶布置方案对于“S”特性的改善效果差异显著。因此,本文通过对水泵水轮机内部流场的流动特性、水力部件的受力情况以及压力脉动特性进行分析研究,得出合理的预开导叶开度和预开导叶布置方案。主要的研究内容和成果如下:1.建立了可逆式水泵水轮机同步导叶及预开导叶下的全流道数值计算模型,得到活动导叶几何模型,并以结构化网格划分流体域,得到可靠的数值计算模型,并设置了合理的边界条件。2.小流量工况下,选取“S”形区域内的工况点,通过对模型水泵水轮机进行非定常数值计算,详细对比分析了同步导叶不同开度下全流道三维非定常数值计算结果,并和试验结果进行对比验证,分析了活动导叶不同开度下导叶-无叶区-转轮区域的内流特性,并且定量分析了转轮的受力情况。结果表明:在小流量工况下,因为活动导叶出口水流流动的方向与转轮流道进口存在比较大的冲角,在活动导叶出口和转轮进口的无叶片区内形成高速水环,产生大量的漩涡结构,极大的阻塞了水流流动,导致水泵水轮机“S”特性区的形成。3.选取四组预开导叶不同导叶开度配比的水泵水轮机模型进行全流道三维非定常计算,分析了不同导叶开度下活动导叶至转轮区域的内流特性、转轮的受力情况和尾水管压力脉动。结果表明:在保证机组稳定运行的前提下,可通过增加预开导叶开度来改善“S”特性,不同活动导叶开度对应不同的最优预开导叶开度。在小流量能够工况下,预开导叶开度是同步导叶开度的3倍,为理想的开度配比,对改善“S”特性具有最优效果。4.在合理的预开导叶开度下,针对预开导叶不同开启对数和布置方式,对模型水泵水轮机进行全流道三维非定常数值计算,对比分析活动导叶至转轮区域的内流特性、转轮的受力情况。结果表明:在小流量工况下,预开四个导叶,按对称布置方式的预开导叶布置方案对于改善“S”特性具有最优的效果。
【图文】：

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9图 2.1 模型水泵水轮机2 计算域网格划分.1 网格划分方法对计算域网格进行划分需要使用相应的网格划分工具，不同时期、不同需求使得当段存在着许多的网格划分工具。主要的网格划分工具包括 GAMBIT、GRIDGEN、M CFD（Integrated Computational Engineering and Manufacturing）三种，它们有各自对领域和适合对象。ICEM CFD 作为当前商业应用较为广泛的网格划分软件，具有出的优点，能对计算域自动进行非结构化网格划分，生成四面体网格。也能利用块的方法，通过自下而上、自上而下两种不同的拓扑结构创建方式，对不规则的计算行结构化网格划分，生成六面体网格。GAMBIT CFD 可以应数值计算的要求，生

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f. 水泵水轮机全流道网格图 2.2 模型水泵水轮机各部分网格活动导叶在不同开度和不同布置方式下进行网格划分。节省时间，提高精度，可以对活动导叶的几何模型进行在对其进行结构化网格的划分，得到单个导叶网格后，，得到整个活动导叶的网格。在划分单个导叶的网格时调整节点，得到匹配几何形状的快结构，，从而提高网格数量，使得阵列后整个活动导叶的网格数量保持在一个壁面的加密处理。单个导叶网格见图 2.3。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV743;TV734.1

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