水泵水轮机驼峰区和S区迟滞效应试验研究

发布时间：2020-06-10 03:55

【摘要】：水泵水轮机水泵工况驼峰区和水轮机工况S区是水泵水轮机典型不稳定区域,严重制约了水泵水轮机安全稳定运行范围,是蓄能机组稳定研究重点。随着蓄能机组的快速发展,水泵水轮机向着高水头、大容量和高比转速发展;同时,由于像风能、太阳能等受环境影响较大的能源在电网上大量的投入,致使电网负荷频繁变化,从而使蓄能机组频繁地启停来平衡电网负荷变化;这些因素致使水泵水轮机驼峰区和S区不稳定问题愈加严重,成为蓄能机组发展的技术瓶颈。近年来,通过模型试验研究发现,在驼峰区和S区存在迟滞效应,迟滞效应的存在大幅地增大了不稳定区域,致使驼峰裕度和S区裕度选择不合理。然而目前对驼峰区和S区的形成机理未形成统一解释,更缺乏对迟滞效应的发生机理研究。本课题通过模型试验和理论分析的方法,针对驼峰区和S区迟滞效应进行深入系统的研究。为满足高水头水泵水轮机水泵工况驼峰区迟滞效应和水轮机工况迟滞效应试验精度需求,针对哈尔滨大电机研究所水力机械通用试验台,基于美国国家仪器公司PXI平台,采用图形化编程语言,开发了一套高精度水力机械通用测试系统。结果表明水力机械测试系统具有高精度、高自动化性,是集采集、分析、处理、报表等功能为一体的高智能测试软件。采用设计的高精度水力机械通用测试系统,对高水头水泵水轮机水泵工况16mm、20mm和24mm活动导叶开口下的驼峰区进行能量特性和压力脉动特性研究,验证驼峰区迟滞效应的存在。采用欧拉理论分析,得出水泵工况驼峰区的迟滞效应的形成来源欧拉扬程和水力损失的共同作用,其中水力损失占主要作用。通过时域和频域分析,确定了驼峰区迟滞的现象的产生与无叶区内高幅值低频压力脉动有关(0.02fn~0.10fn)。采用开发设计的高精度水力机械通用测试系统,对高水头水泵水轮机水轮机工况16mm、20mm和24mm活动导叶开口下的S区进行压力脉动试验,验证S区迟滞效应的存在。选取典型工况点进行时域和频域分析,结果表明,S特性的形成与无叶区的低频压力脉动有关(0.1fn~0.6fn)。
【图文】：

流量特性曲线,驼峰区,迟滞效应

图 1-1 驼峰区迟滞效应图 1-2 S 区迟滞效应1.2 驼峰区迟滞效应研究进展水泵水轮机水泵工况驼峰不稳定区域通常发生在高扬程小流量区域。在水泵水轮机设计过程中，通常给定足够的驼峰裕度，将正常运行范围设定在驼峰区外。然而，随着扬程、比转速和容量的增大，驼峰不稳定区越来越靠近最优工况点，致使安全稳定范围大幅度减小，导致在高水头和电网低频时水泵水轮机运行必须要经历驼峰不稳定区域。当水泵水轮机经历驼峰不稳定区域时，机组剧烈振荡并伴随着大量的噪声，严重时可能破坏整个机组和管路系统[9]。近年来，越来越多的学者采用模型试验和数值模拟的方法开始研究水泵水轮机驼峰区不稳定特性。结果表明，驼峰区不稳定的形成一方面来源于转轮入口的预旋、回流[10]和吸力面空化[11, 12]，另一方面来源于双列叶栅中的回流、旋涡运动[4]、旋转失速[13, 14]和二次流[15]。这些研究成果对驼峰区不稳定特性的形成机理给出了深入的阐释。冉红娟等人[16]采用 SST k-ω 湍流模型预测了扬程-流量特性曲线，得出转轮进

流量特性曲线,迟滞效应,驼峰区

图 1-1 驼峰区迟滞效应图 1-2 S 区迟滞效应1.2 驼峰区迟滞效应研究进展水泵水轮机水泵工况驼峰不稳定区域通常发生在高扬程小流量区域。在水泵水轮机设计过程中，通常给定足够的驼峰裕度，将正常运行范围设定在驼峰区外。然而，随着扬程、比转速和容量的增大，驼峰不稳定区越来越靠近最优工况点，致使安全稳定范围大幅度减小，导致在高水头和电网低频时水泵水轮机运行必须要经历驼峰不稳定区域。当水泵水轮机经历驼峰不稳定区域时，机组剧烈振荡并伴随着大量的噪声，严重时可能破坏整个机组和管路系统[9]。近年来，越来越多的学者采用模型试验和数值模拟的方法开始研究水泵水轮机驼峰区不稳定特性。结果表明，，驼峰区不稳定的形成一方面来源于转轮入口的预旋、回流[10]和吸力面空化[11, 12]，另一方面来源于双列叶栅中的回流、旋涡运动[4]、旋转失速[13, 14]和二次流[15]。这些研究成果对驼峰区不稳定特性的形成机理给出了深入的阐释。冉红娟等人[16]采用 SST k-ω 湍流模型预测了扬程-流量特性曲线，得出转轮进
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV136

【参考文献】