基于PIV技术的混流式水泵水轮机转轮内流态特性研究
发布时间：2021-06-22 03:59
混流式水泵水轮机的稳定性对机组并网的安全性具有关键影响,转轮内的流态特性是分析水泵水轮机稳定性的重要依据。该文对转轮内流态特性进行了研究,首先,建立流动可视化PIV实验模型;利用相关法,根据采集的粒子图像的分辨率,确定相关域和搜索域;在实验用的模型水泵水轮机的特性曲线上选取12个典型工况点,分析其参数;利用PIV方法,得到各工况下转轮中的流态;最后,分析转轮叶片进口冲角和导叶开度对转轮内流态的影响,进一步明确了混流式水泵水轮机内部流态与运行工况之间的关系。
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2019,34(06)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
水泵水轮机特性曲线Fig.3Pump-TurbineCharacteristicCurve
?主要应用在较小的模型实验台上。文献[20]的实验台可高速摄像流场观测及活动导叶局部区域PIV，也可用来对非稳定流场比如水泵水轮机S特性区旋转失速等进行定性研究，从试验角度验证旋转失速的存在和演化规律；文献[21]利用的PIV实验台是局部透明的，可以进行混流式水轮机内部流场PIV测量；文献[22]将闪频仪和内窥镜直接应用在模型实验台上，主要用来观测空化流动特征。1实验装置与方法1.1实验装置搭建了水泵水轮机内部流动可视化PIV实验模型，如图1所示。图1水泵水轮机可视化实验模型Fig.1Pump-TurbineVisualExperimentModel实验模型的主体部分—转轮、导叶和尾水管均用透明有机玻璃制成，模型转轮直径为198mm，具有8个叶片，叶片的进口角均为70o，运用流动可视化方法可获得流体在其中的流动图像，利用PIV技术进行流场分析，获得流场运动规律。该模型即可作水轮机工况运行，也可作水泵工况运行。光源系统采用大功率氩离子激光器，型号为A-238，功率为5W，产生连续光束和片光，光束直径为1.4mm。图像采集系统为，将摄像机固定在转轮轴上，使其与转轮同步旋转，通过图像采集卡将图像采集到计算机缓存。本装置一次最多可连续采集到31帧图像，如果一次不需要采集连续那么多帧图像，也可根据需要减少一次连续采集到的图像的帧数。软件系统包括图像采集模块、数字图像处理模块和PIV计算模块等。综合考虑PIV测量系统对示踪粒子的要求，本研究选用铝粉作为示踪粒子。因考虑到本水泵水轮机流动可视化模型比较小，而且是闭式实验系统，因此，示踪粒子的施
魇剿?盟?只??帜诹魈?匦匝芯?723工况点1-2-3-4的开度相同，均为15.00,工况点5-6-7-8的开度相同，均为7.60,工况点9-10-11-12的开度相同，均为3.30。三组工况点分别对应导叶开度相同而单位转速不同的运行工况。四组工况点1-5-9、2-6-10、3-7-11和4-8-12分别对应单位转速基本相同而导叶开度不同的运行工况。3转轮内流态特性与运行工况的关系由PIV方法所得到的各工况下转轮中的流态如图4所示。比较各工况下的翼间速度矢量图可以看出下述特点：①转轮叶片进口冲角对流态的影响图4中标号为1-2-3-4,5-6-7-8和9-10-11-12的三组速度矢量图分别对应于导叶开度相同而单位转速不同的运行工况。在导叶等开度下，当水轮机的单位转速由小到大变化时，叶片的进口冲角按“+”、“0”和“-”的顺序改变。从图4中可以看出，虽然各工况下翼间流场均有脱流或旋涡发生，但其范围与位置因工况而已。在进口为正冲角时，冲角越大，则脱流与旋涡的位置越接近叶片进口。在进口为负冲角时，冲角越大则脱流与旋涡的位置越接近叶片出口。另外还可以看出，在12个工况下，设计工况附近的工况3翼间流动最佳。②导叶开度对转轮流态的影响图4中标号为1-5-9，2-6-10，3-7-11和4-8-12的四组速度矢量图分别对应于水泵水轮机特性曲线上单位转速基本相同而导叶开度改变时的工况，对于实际电站来说则对应于水头一定而变负荷运行的情况。比较各组速度矢量图可以看出，随着导叶开度的
【参考文献】：
期刊论文
[1]带MGV装置水泵水轮机无叶区压力脉动特性[J]. 李琪飞,张震,李仁年,宋启策,张建勋. 排灌机械工程学报. 2018(12)
[2]抽水蓄能机组水泵断电工况全流道流动特性分析[J]. 王康生,周建中,段然,于辉,彭宣霖. 水电能源科学. 2018(10)
[3]水泵水轮机甩负荷过程流动诱导噪声数值模拟[J]. 毛秀丽,孙奥冉,Giorgio Pavesi,郑源,葛新峰. 农业工程学报. 2018(20)
[4]水泵水轮机在泵工况的导叶水力矩特性[J]. 李琪飞,李光贤,权辉,陈雨,张正杰,王仁本. 工程热物理学报. 2018(10)
[5]锯齿形尾部结构的水力机械叶片特性的仿真研究[J]. 唐巍. 广东水利水电. 2015(11)
[6]三峡工程巨型水轮发电机组技术进步[J]. 袁达夫,邵建雄,刘景旺. 人民长江. 2015(19)
[7]水力机械转轮流固耦合特性分析与设计要素研究[J]. 王正伟,刘艳艳,赵潇然,毛中宇,张苏平. 水利水电技术. 2015(06)
[8]基于改进BP神经网络的水力机械特性数据处理[J]. 郭爱文,杨建东,鲍海艳. 水电能源科学. 2008(02)
[9]逼近水力机械特性的一种新方法[J]. 赵林明,王海燕. 中国农村水利水电. 2006(08)
[10]灰度相关法在流动可视化图像解析中的应用[J]. 陈德新,徐岚,谢辉. 华北水利水电学院学报. 2000(01)
硕士论文
[1]水力机械常用材料磨蚀特性实验研究[D]. 王波.西安理工大学 2017
本文编号：3242071
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2019,34(06)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
水泵水轮机特性曲线Fig.3Pump-TurbineCharacteristicCurve
?主要应用在较小的模型实验台上。文献[20]的实验台可高速摄像流场观测及活动导叶局部区域PIV，也可用来对非稳定流场比如水泵水轮机S特性区旋转失速等进行定性研究，从试验角度验证旋转失速的存在和演化规律；文献[21]利用的PIV实验台是局部透明的，可以进行混流式水轮机内部流场PIV测量；文献[22]将闪频仪和内窥镜直接应用在模型实验台上，主要用来观测空化流动特征。1实验装置与方法1.1实验装置搭建了水泵水轮机内部流动可视化PIV实验模型，如图1所示。图1水泵水轮机可视化实验模型Fig.1Pump-TurbineVisualExperimentModel实验模型的主体部分—转轮、导叶和尾水管均用透明有机玻璃制成，模型转轮直径为198mm，具有8个叶片，叶片的进口角均为70o，运用流动可视化方法可获得流体在其中的流动图像，利用PIV技术进行流场分析，获得流场运动规律。该模型即可作水轮机工况运行，也可作水泵工况运行。光源系统采用大功率氩离子激光器，型号为A-238，功率为5W，产生连续光束和片光，光束直径为1.4mm。图像采集系统为，将摄像机固定在转轮轴上，使其与转轮同步旋转，通过图像采集卡将图像采集到计算机缓存。本装置一次最多可连续采集到31帧图像，如果一次不需要采集连续那么多帧图像，也可根据需要减少一次连续采集到的图像的帧数。软件系统包括图像采集模块、数字图像处理模块和PIV计算模块等。综合考虑PIV测量系统对示踪粒子的要求，本研究选用铝粉作为示踪粒子。因考虑到本水泵水轮机流动可视化模型比较小，而且是闭式实验系统，因此，示踪粒子的施
魇剿?盟?只??帜诹魈?匦匝芯?723工况点1-2-3-4的开度相同，均为15.00,工况点5-6-7-8的开度相同，均为7.60,工况点9-10-11-12的开度相同，均为3.30。三组工况点分别对应导叶开度相同而单位转速不同的运行工况。四组工况点1-5-9、2-6-10、3-7-11和4-8-12分别对应单位转速基本相同而导叶开度不同的运行工况。3转轮内流态特性与运行工况的关系由PIV方法所得到的各工况下转轮中的流态如图4所示。比较各工况下的翼间速度矢量图可以看出下述特点：①转轮叶片进口冲角对流态的影响图4中标号为1-2-3-4,5-6-7-8和9-10-11-12的三组速度矢量图分别对应于导叶开度相同而单位转速不同的运行工况。在导叶等开度下，当水轮机的单位转速由小到大变化时，叶片的进口冲角按“+”、“0”和“-”的顺序改变。从图4中可以看出，虽然各工况下翼间流场均有脱流或旋涡发生，但其范围与位置因工况而已。在进口为正冲角时，冲角越大，则脱流与旋涡的位置越接近叶片进口。在进口为负冲角时，冲角越大则脱流与旋涡的位置越接近叶片出口。另外还可以看出，在12个工况下，设计工况附近的工况3翼间流动最佳。②导叶开度对转轮流态的影响图4中标号为1-5-9，2-6-10，3-7-11和4-8-12的四组速度矢量图分别对应于水泵水轮机特性曲线上单位转速基本相同而导叶开度改变时的工况，对于实际电站来说则对应于水头一定而变负荷运行的情况。比较各组速度矢量图可以看出，随着导叶开度的
【参考文献】：
期刊论文
[1]带MGV装置水泵水轮机无叶区压力脉动特性[J]. 李琪飞,张震,李仁年,宋启策,张建勋. 排灌机械工程学报. 2018(12)
[2]抽水蓄能机组水泵断电工况全流道流动特性分析[J]. 王康生,周建中,段然,于辉,彭宣霖. 水电能源科学. 2018(10)
[3]水泵水轮机甩负荷过程流动诱导噪声数值模拟[J]. 毛秀丽,孙奥冉,Giorgio Pavesi,郑源,葛新峰. 农业工程学报. 2018(20)
[4]水泵水轮机在泵工况的导叶水力矩特性[J]. 李琪飞,李光贤,权辉,陈雨,张正杰,王仁本. 工程热物理学报. 2018(10)
[5]锯齿形尾部结构的水力机械叶片特性的仿真研究[J]. 唐巍. 广东水利水电. 2015(11)
[6]三峡工程巨型水轮发电机组技术进步[J]. 袁达夫,邵建雄,刘景旺. 人民长江. 2015(19)
[7]水力机械转轮流固耦合特性分析与设计要素研究[J]. 王正伟,刘艳艳,赵潇然,毛中宇,张苏平. 水利水电技术. 2015(06)
[8]基于改进BP神经网络的水力机械特性数据处理[J]. 郭爱文,杨建东,鲍海艳. 水电能源科学. 2008(02)
[9]逼近水力机械特性的一种新方法[J]. 赵林明,王海燕. 中国农村水利水电. 2006(08)
[10]灰度相关法在流动可视化图像解析中的应用[J]. 陈德新,徐岚,谢辉. 华北水利水电学院学报. 2000(01)
硕士论文
[1]水力机械常用材料磨蚀特性实验研究[D]. 王波.西安理工大学 2017
本文编号：3242071
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