长短叶片水泵水轮机泵工况下动静干涉及振动特性研究
发布时间：2021-09-22 15:17
抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰填谷、紧急事故备用和定向服务等诸多功能,随着我国能源结构的优化和智能电网的发展,大规模发展抽水蓄能刻不容缓。与此同时,社会生产对抽水蓄能电站的性能要求愈来愈高,需对其核心部件水泵水轮机不断改进。近年来,长短叶片转轮得到广泛应用,其在改善性能曲线、提高小流量与部分负荷工况的效率和稳定性、降低压力脉动、提高转轮空化性能和可靠性等方面发挥了重要作用。对于长短叶片水泵水轮机这种复杂旋转机械,其内部动静干涉引起的非定常脉动现象是机组稳定性的关键因素。为此,本文以国内某抽水蓄能电站长短叶片水泵水轮机模型为研究对象,基于CFD（计算流体力学）与FSI（流固耦合）数值计算技术结合相关试验数据对泵工况动静干涉及振动特性进行深入研究。选取不同流量、开度工况进行对比分析,获得流量、开度变化对动静干涉及振动的具体影响,为保障水泵水轮机机组的稳定运行提供有效参考。主要研究内容如下:（1）模型外特性及内部流动分析:基于流体不可压缩,针对9.8°、17.5°和24.8°开度进行全流场数值计算,获得其外特性曲线并与试验数据对比。选取各开度对应的0.75Qd、1.0...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
动静干涉流场调制过程[16]
江苏大学硕士学位论文3的势流干涉（非粘滞性）和尾迹干涉（粘滞性）[16]，水轮机工况无叶区压力场的干涉调制过程如图1.1所示。Nicolet[8]对混流式水泵水轮机共振条件下的动静干涉作用进行了一维水声模拟，揭示了动静干涉在蜗壳区域产生水声共振振型与频率特征，为全水声模型模拟奠定基矗Tanaka[17]研究了水泵水轮机动静干涉下的径向振动模型，振动模式的节径数k为：grnZkmZ，其中，gZ为导叶数量，rZ为叶片数，n与m为任意整数。图1.2所示为20gZ、6rZ组合的动静干涉示意图，包括干涉相位变化及不同节径数下的振动模式。(a)叶片与导叶干涉相位变化(b)不同节径数k下的振动模式图1.2无叶区动静干涉示意图[17]Fig.1.2Rotor-statorinteractioninthevanelessspaceEgusquiza等[18]通过监控系统远程监测水轮机与水泵水轮机机组振动，得到宝贵的试验数据，发现水泵水轮机的振动级要比常规水轮机大得多，主要原因是水泵水轮机中动静干涉影响较强，特别是在水轮机大负荷工况下，振动最为剧烈，另外详细介绍了机组各类典型损坏特征及其频率识别。Rodriguez等[19]采用传感器随轴旋转的测量方法监测水泵水轮机动静干涉，避免了轴承响应带来的测量影响，为监测动静干涉特性提供更为可靠的测量方法。Botero等[20]采用一种非侵入式测量方法监测跟踪水泵水轮机旋转失速，识别旋转失速下的频率特征及动静干涉特性，有望应用于全尺寸水泵水轮机实际运行中的状态监测。Yonezawa等[21]研究了离心式旋转机械中的相位共振现象，对比分析了水泵工况与水轮机工况下的相位共振，揭示了动静干涉方向与径向速度脉动对相位共振的重要影响。Casartelli等[22]对水泵水轮机飞逸与甩负荷工况进行三维
长短叶片水泵水轮机泵工况下动静干涉及振动特性研究102.2三维水体建模为方便网格划分，利用Creo绘图软件，通过拉伸、扫描混合、切除材料等方式对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的水体分别进行三维建模，其全流道几何模型如图2.1(a)所示，其中定子域部分水体模型如图2.1(b)-(e)所示，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶和尾水管。旋转域为转轮水体，如图2.1(f)所示。根据叶片各项设计参数，采用CFturbo软件生成转轮叶片，叶片布置形式为5长+5短，前后缘都进行倒圆处理，水体模型生成后，在三维软件中与其余定子域水体组合安装，固定转轮水体在全局坐标下的位置，方便后续的网格划分。(a)全流道几何模型(b)蜗壳(c)固定导叶(d)活动导叶(e)尾水管(f)转轮图2.1全流道几何模型Fig.2.1Fullflowpassagegeometricmodel
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation on reversible pump turbine flow structures and associated pressure field characteristics under different guide vane openings[J]. BINAMA Maxime,SU WenTao,CAI WeiHua,LI FengChen,WEI XianZhu,MUHIRWA Alex,GONG RuZhi,WEKESA David W.. Science China（Technological Sciences）. 2019(11)
[2]轴流式水轮机顶盖强度及模态有限元分析[J]. 姚婷婷,郑源. 排灌机械工程学报. 2020(01)
[3]张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机动静干涉问题及处理[J]. 路建,胡清娟,谷振富,郑凯,孟晓超,易忠有. 水电与抽水蓄能. 2019(02)
[4]动静干涉作用下的抽水蓄能电站厂房楼板振动观测[J]. 张飞,李有军,王勇,赵博. 中国农村水利水电. 2018(07)
[5]分流叶片对小型高速离心风机性能影响的试验研究[J]. 陈强,赛庆毅. 机械研究与应用. 2017(05)
[6]抽水蓄能机组工况转换过程中无叶区压力特性[J]. 付婧,张飞. 中国水利水电科学研究院学报. 2017(05)
[7]长短叶片水轮机尾水涡带动态特性数值分析[J]. 张春泽,刁伟,尤建锋,夏林生. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(07)
[8]基于流固耦合的某抽水蓄能电站可逆式水轮机转轮强度和模态分析[J]. 岳志伟,郑源,阚阚,陈宇杰,李东阔,臧伟. 水电能源科学. 2017(02)
[9]长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用[J]. 杜荣幸,王庆,榎本保之,陈泓宇. 水电与抽水蓄能. 2016(05)
[10]高水头混流式水轮机的动静干涉与振动问题研究[J]. 刘攀,陈学力,汪泉,李德忠. 水力发电学报. 2016(03)
博士论文
[1]水泵水轮机转轮动力特性研究与共振预测[D]. 何玲艳.中国农业大学 2019
[2]水泵水轮机驼峰区流动机理及瞬态特性研究[D]. 李德友.哈尔滨工业大学 2017
[3]水轮机转轮流固耦合裂纹萌生扩展与空化湿模态研究[D]. 刘鑫.清华大学 2016
[4]离心泵瞬态水力激振流固耦合机理及流动非定常强度研究[D]. 裴吉.江苏大学 2013
[5]叶片泵非设计工况叶轮内部流动分析和预测[D]. 张伟.上海大学 2011
[6]带分流叶片离心泵全流场数值预报和设计方法研究[D]. 张金凤.江苏大学 2007
本文编号：3403972
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
动静干涉流场调制过程[16]
江苏大学硕士学位论文3的势流干涉（非粘滞性）和尾迹干涉（粘滞性）[16]，水轮机工况无叶区压力场的干涉调制过程如图1.1所示。Nicolet[8]对混流式水泵水轮机共振条件下的动静干涉作用进行了一维水声模拟，揭示了动静干涉在蜗壳区域产生水声共振振型与频率特征，为全水声模型模拟奠定基矗Tanaka[17]研究了水泵水轮机动静干涉下的径向振动模型，振动模式的节径数k为：grnZkmZ，其中，gZ为导叶数量，rZ为叶片数，n与m为任意整数。图1.2所示为20gZ、6rZ组合的动静干涉示意图，包括干涉相位变化及不同节径数下的振动模式。(a)叶片与导叶干涉相位变化(b)不同节径数k下的振动模式图1.2无叶区动静干涉示意图[17]Fig.1.2Rotor-statorinteractioninthevanelessspaceEgusquiza等[18]通过监控系统远程监测水轮机与水泵水轮机机组振动，得到宝贵的试验数据，发现水泵水轮机的振动级要比常规水轮机大得多，主要原因是水泵水轮机中动静干涉影响较强，特别是在水轮机大负荷工况下，振动最为剧烈，另外详细介绍了机组各类典型损坏特征及其频率识别。Rodriguez等[19]采用传感器随轴旋转的测量方法监测水泵水轮机动静干涉，避免了轴承响应带来的测量影响，为监测动静干涉特性提供更为可靠的测量方法。Botero等[20]采用一种非侵入式测量方法监测跟踪水泵水轮机旋转失速，识别旋转失速下的频率特征及动静干涉特性，有望应用于全尺寸水泵水轮机实际运行中的状态监测。Yonezawa等[21]研究了离心式旋转机械中的相位共振现象，对比分析了水泵工况与水轮机工况下的相位共振，揭示了动静干涉方向与径向速度脉动对相位共振的重要影响。Casartelli等[22]对水泵水轮机飞逸与甩负荷工况进行三维
长短叶片水泵水轮机泵工况下动静干涉及振动特性研究102.2三维水体建模为方便网格划分，利用Creo绘图软件，通过拉伸、扫描混合、切除材料等方式对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的水体分别进行三维建模，其全流道几何模型如图2.1(a)所示，其中定子域部分水体模型如图2.1(b)-(e)所示，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶和尾水管。旋转域为转轮水体，如图2.1(f)所示。根据叶片各项设计参数，采用CFturbo软件生成转轮叶片，叶片布置形式为5长+5短，前后缘都进行倒圆处理，水体模型生成后，在三维软件中与其余定子域水体组合安装，固定转轮水体在全局坐标下的位置，方便后续的网格划分。(a)全流道几何模型(b)蜗壳(c)固定导叶(d)活动导叶(e)尾水管(f)转轮图2.1全流道几何模型Fig.2.1Fullflowpassagegeometricmodel
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation on reversible pump turbine flow structures and associated pressure field characteristics under different guide vane openings[J]. BINAMA Maxime,SU WenTao,CAI WeiHua,LI FengChen,WEI XianZhu,MUHIRWA Alex,GONG RuZhi,WEKESA David W.. Science China（Technological Sciences）. 2019(11)
[2]轴流式水轮机顶盖强度及模态有限元分析[J]. 姚婷婷,郑源. 排灌机械工程学报. 2020(01)
[3]张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机动静干涉问题及处理[J]. 路建,胡清娟,谷振富,郑凯,孟晓超,易忠有. 水电与抽水蓄能. 2019(02)
[4]动静干涉作用下的抽水蓄能电站厂房楼板振动观测[J]. 张飞,李有军,王勇,赵博. 中国农村水利水电. 2018(07)
[5]分流叶片对小型高速离心风机性能影响的试验研究[J]. 陈强,赛庆毅. 机械研究与应用. 2017(05)
[6]抽水蓄能机组工况转换过程中无叶区压力特性[J]. 付婧,张飞. 中国水利水电科学研究院学报. 2017(05)
[7]长短叶片水轮机尾水涡带动态特性数值分析[J]. 张春泽,刁伟,尤建锋,夏林生. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(07)
[8]基于流固耦合的某抽水蓄能电站可逆式水轮机转轮强度和模态分析[J]. 岳志伟,郑源,阚阚,陈宇杰,李东阔,臧伟. 水电能源科学. 2017(02)
[9]长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用[J]. 杜荣幸,王庆,榎本保之,陈泓宇. 水电与抽水蓄能. 2016(05)
[10]高水头混流式水轮机的动静干涉与振动问题研究[J]. 刘攀,陈学力,汪泉,李德忠. 水力发电学报. 2016(03)
博士论文
[1]水泵水轮机转轮动力特性研究与共振预测[D]. 何玲艳.中国农业大学 2019
[2]水泵水轮机驼峰区流动机理及瞬态特性研究[D]. 李德友.哈尔滨工业大学 2017
[3]水轮机转轮流固耦合裂纹萌生扩展与空化湿模态研究[D]. 刘鑫.清华大学 2016
[4]离心泵瞬态水力激振流固耦合机理及流动非定常强度研究[D]. 裴吉.江苏大学 2013
[5]叶片泵非设计工况叶轮内部流动分析和预测[D]. 张伟.上海大学 2011
[6]带分流叶片离心泵全流场数值预报和设计方法研究[D]. 张金凤.江苏大学 2007
本文编号：3403972
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