水泵水轮机飞逸工况稳定性研究

发布时间：2020-07-08 12:36

【摘要】：抽水蓄能电站在能源结构中应用广泛,主要承担调节电网负荷并兼顾电网调相调频作用,同时在新能源配套设施中对能源起到储存和调控作用。目前,我国正大力提倡发展低碳、清洁能源,抽水蓄能作为新能源电站配套设施,得到大力发展。因此抽水蓄能在国家能源结构中发挥的作用越来越大。水泵水轮机在运行过程中需要在各种工况下转换,当水泵水轮机甩负荷时,在机组导叶调节的极端工况下,机组容易进入飞逸状态。飞逸过渡过程对机组的安全可靠运行产生巨大危害,因此对于该问题的研究具有较大的工程意义。本文以某抽水蓄能电站机组水泵水轮机为研究对象,通过数值模拟与试验相结合的方式研究其飞逸工况下,水泵水轮机无叶区高速水环、转轮流道内漩涡流动以及尾水管涡带等不稳定现象对机组运行的影响,通过研究压力脉动在流道内的传递规律,高速水环形成机理,叶道涡、尾水管涡带演化规律,探讨它们对机组不稳定运行的影响,主要内容以及结论如下:1.基于Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机模型三维流场进行模拟计算,获得其内部流场以及外特性曲线。依托哈电集团哈尔滨大电机研究所先进试验台,对水泵水轮机飞逸工况不稳定运行因素(尾水管涡带、压力脉动等)和四象限运行特性曲线等进行模型实测。获得水泵水轮机典型工况运行工况特性曲线以及机组相应位置压力脉动。把数值模拟结果与试验结果进行对比,模拟结果与试验结果吻合度较高,表明基于Realizable k-ε湍流模型三维全流道数值模拟能够较准确的模拟飞逸工况。2.无叶区高速水环对机组运行的影响(1)运用数值模拟与试验相结合的方法,通过数值计算获得水泵水轮机计算域内流场各特征参量,模型试验得到其“S”特性曲线,研究飞逸工况下高速水环对无叶区流动的影响。通过对无叶区高速水环特性分析,得出:高速水环在无叶区的位置随着流量的增加而向转轮一侧移动,并且随着开度和流量变大,高速水环逐渐被破坏变弱;高速水环的位置移动受转轮离心力以及上游水头压力的双重影响;高速水环致使来流冲角的随机波动是导致无叶区随机性波动主要原因。(2)通过ANSYS有限元分析模块,研究水力激振对机组运行的影响。通过流固耦合获得其转轮固有频率,探讨流体内部压力脉动频率空间分布规律与结构固有频率之间的相互关系,得出:水泵水轮机在小流量飞逸工况下,受转轮旋转动静干涉的影响,无叶区频率分布丰富;叶频以及倍叶频压力脉动信号在该区域起主导作用;水力激振与转轮结构极易产生共振,转轮叶片与活动导叶之间的动静干涉是导致流固共振的主要原因。3.转轮流道内漩涡流动对机组运行的影响通过非定常数值计算,获得转轮区域瞬态流动特性,得到转轮区域相干结构的演化过程,探究流道内漩涡流动对机组稳定运行的影响,得出:小流量飞逸工况下,转轮流道内流态紊乱,存在着不同尺度的相干结构,这些相干结构主要分布在转轮叶片进口段、转轮叶片背面壁面附近以及转轮流道中间的位置;转轮流道进口段叶片前缘对流体的绕流以及叶片出口端与泄水锥上游区域反向旋转的流体碰撞分流是该位置产生涡结构的主要原因,漩涡在转轮流道内演化过程影响叶片压力载荷分布,漩涡发展演化使得叶片压力载荷出现局部低压区和高压区。4.尾水管涡带对机组运行的影响通过在尾水管区域设置监测点,对水泵水轮机在不同导叶开度下尾水管涡带的形态进行捕捉,探讨涡带形态及变化特征对尾水管压力脉动的影响。得出:尾水管涡带与导叶开度关系密切;尾水管涡带不断向下游输运,是造成水泵水轮机尾水管区域产较大的压力脉动的关键因素。
【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】：TK730
【图文】：

水泵水轮机飞逸工况稳定性研究 机飞逸相关工况研究现状具备水轮机发电和水泵抽水的双重功能，因此水蓄能机组要根据电力系统负荷的变化进行调发电、抽水、发电方向调相和抽水方向调相这[5]。将这五种工况按照任意方式排列组合，会出负荷变化的要求，电力系统对各种工况间的转间反应快，而且需要保证转化过程的稳定可靠易出现强冲击和剧烈振动的现象，水泵水轮机行区间。因此对于水泵水轮机“S”特性的研究等一些问题的研究仍然任重而道远。

图 2.1 水泵水轮机全流道模型域水体建模采用断面混合的方式，然后对割舌部分切除。进行样条草绘，然后根据水力图中心线并以此作为混合样对蜗壳断面进行草绘时需确保其对称性，因为蜗壳网格划构成法，如果水体物理模型不对称，这样在网格划分时会至会出现负体积网格，导致数值模拟无法计算。这样混合后光滑，其实这与实际真机存在误差。通常真机蜗壳由多段之间不可能光滑过渡，考虑理想状态下，蜗壳为平滑过渡，较小，所以本文仍然采用平滑过渡的方式。同时由于本文对水泵水轮机飞逸工况流动特性的影响，所以需要对蜗壳模。这要求在切除割舌位置时较高的精度，以防止固定导积影响数值模拟计算精度。固定导叶在实际电站施工时，，一方面对蜗壳起到支撑作用，另一方面它也为技术维修蜗壳进口流进蜗壳经过固定导叶，这个过程中水流在固定量。蜗壳以及固定导叶三维水体如图 2.2、2.3 所示。

蜗壳流域水体建模采用断面混合的方式，然后对割舌部分切除。混合过程先对各个断面进行样条草绘，然后根据水力图中心线并以此作为混合样条进行混合成实体。在对蜗壳断面进行草绘时需确保其对称性，因为蜗壳网格划分时采用上下对称网格构成法，如果水体物理模型不对称，这样在网格划分时会使得网格质量较低，甚至会出现负体积网格，导致数值模拟无法计算。这样混合后使得蜗壳流域水体过渡光滑，其实这与实际真机存在误差。通常真机蜗壳由多段圆筒焊接而成，段与段之间不可能光滑过渡，考虑理想状态下，蜗壳为平滑过渡，且对数值模拟计算影响较小，所以本文仍然采用平滑过渡的方式。同时由于本文需要分析各个过流部件对水泵水轮机飞逸工况流动特性的影响，所以需要对蜗壳和固定导叶流域分开建模。这要求在切除割舌位置时较高的精度，以防止固定导叶和蜗壳之间出现负体积影响数值模拟计算精度。固定导叶在实际电站施工时，是把其与蜗壳埋入地下，一方面对蜗壳起到支撑作用，另一方面它也为技术维修排水提供通道。水流从蜗壳进口流进蜗壳经过固定导叶，这个过程中水流在固定导叶流域产生最初的环量。蜗壳以及固定导叶三维水体如图 2.2、2.3 所示。

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本文编号：2746547