混流式水轮机尾水管压力脉动特征信息探究

发布时间：2020-06-29 18:19

【摘要】：近年来,随着混流式水轮机装机尺寸与单机容量逐渐增大,水轮机的稳定性问题日益突出。其中尾水管压力脉动是造成机组运行不稳定的主要原因之一,它会诱发机械振动,使转轮叶片产生裂纹,影响机组的稳定运行。为了研究尾水管内压力脉动的特性情况,本文从水轮机尾水管压力脉动试验所得数据出发,研究不同水头段混流式水轮机在不同相对流量区域内的尾水管压力脉动特性以及原型机尾水管压力脉动在不同出力下的脉动特性,并对比分析原模型水轮机压力脉动变化情况,最后提出一种提取尾水管涡带特征的新方法,为水轮机安全稳定运行提供了一定的参考。主要研究内容如下:探究不同流量区域内混流式模型水轮机尾水管幅值特性和频域特性变化规律及形成原因。在较小的相对流量区域附近,由于偏离最优工况区较远,受转轮进口水流冲击、次生水冲击等的影响,其压力脉动相对幅值变化范围较大,其最大幅值大体与涡带压力脉动最大幅值相当,并且其频率成分复杂,频带较宽。在中间相对流量区域附近,该流量区为涡带工况区,其频率成分基本上在0.2～0.5倍的转频附近,同时发现在此流量区域内频率幅值最大的流量区域大致在0.7～0.8这个相对流量区间附近,其压力脉动相对幅值的变化整体上先增大后减小。相对流量区域0.9～1.1附近,整体上在此区间内相对压力脉动幅值达到最小值,此区间内,尾水管中的流动大致是轴向的,流动阻力及离心力都非常小,无涡带形成,压力脉动波动小,频谱类似于白噪声信号的频谱。相对流量区域1.1～1.3附近,此相对流量区间内频率成分也相对复杂,有点类似小开度区间,其相对频率f1/fn既有涡带频率,也有多倍转频大小的频率成分,主要与直涡带的强度有关,直涡带的频率幅值较大的话,会出现一个显著的增幅。同时由于偏离最优工况,存在转轮进口水流负冲角的影响,由于其流量区域较窄且偏离最优流量较小,其受到的影响相对要小,其相对压力脉动幅值相较小开度要小很多。探究了混流式原型机尾水管压力脉动特性随出力的变化情况,并对比分析原模型压力脉动的相似性。最终发现原型机尾水管压力脉动特性随出力的变化规律与模型试验数据所得结果基本一致,主要差异还是在小开度区间上。对比分析原模型压力脉动,其主频随出力变化基本一致,相对压力脉动幅值在小开度区间、大开度区间存在差异,其他出力下基本一致。提出了一种新的尾水管提取涡带特征的方法,利用变模态分解方法和样本熵算法,对不同出力下的原型水轮机尾水管压力脉动信号进行特征提取,并将所得限带模态函数的样本熵构分别计算其最大值和均值,作为尾水管压力脉动信号涡带识别的特征矢量T。该特征矢量T具有较好的敏感性,能敏锐反映尾水管内涡带变化情况,能有效提取到尾水管中涡带的信息,具有较好识别和量化尾水管内涡带状态的能力。最后通过对国内某电站尾水管压力脉动情况分析表明,基于VMD算法和样本熵的特征提取方法能够有效识别尾水管涡带的状态,可较好的应用于水轮机的运行保障领域。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV734.1

【参考文献】