水泵水轮机驼峰区内流特性研究
发布时间：2021-09-28 00:23
近年来,大量的潮汐能、太阳能、风能等新能源投入到了电力系统中,使得电力系统稳定性要求变得更加严格。抽水蓄能机组在电力系统中承担着削峰填谷、改善电能质量的作用,其稳定性和安全性也变得更为重要。水泵水轮机在水泵小流量工况下存在的驼峰特性是阻碍机组正常运行的不稳定特性之一,对其进行研究可以为水泵水轮机的稳定性运行提供依据。为揭示水泵水轮机在驼峰区工况下,机组内部流动特性、外特性规律以及两者之间的联系,本文以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,采用SST k-ω湍流模型对其在活动导叶开度为14°下展开三维全流道非定常数值模拟。主要研究内容和所得结论如下:（1）对水泵工况下机组各过流部件的内部流动进行了分析,探讨了驼峰区工况下,机组的内部流动特性。结果表明,驼峰区工况下,转轮出口周向上分布着三组两两相隔120°的高速区,这是由切向速度的不均匀分布引起。串联级联流道周向也存在三组两两相隔120°失速流道,且此失速流道中均充斥着流动分离、漩涡或回流等不良流动。因此,此机组驼峰特性与转轮出口不均匀分布以及串联级联流道的失速现象有关。（2）基于压力标准差、压力峰峰值及快速傅里叶变换等分析方法,对不同...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究路线流程图
2数值计算方法及前处理设置92数值计算方法及前处理设置2.1模型的建立计算以某抽蓄电站模型水泵水轮机的几何和物理模型为对象，其三维全流道几何模型如图2-1所示，该模型有五个过流部件，分别为转轮、尾水管、蜗壳、活动导叶及固定导叶。利用三维建模软件UG建立该水泵水轮机的实体模型。当水泵水轮机作为水泵模式运行时，流体以尾水管为进口流入，以蜗壳为出口流出。该模型的几何参数分别为：转轮进口直径D1=553mm，转轮出口直径D2=251.98mm（水轮机工况），转轮叶片数Zb=9，导叶高度b0=37.76mm，其中，固定导叶数Zc=20，活动导叶数Z0=20。此外，该水泵水轮机的额定转速为1150r/min，计算所用的活动导叶开度α=14°。图2-1水泵水轮机几何模型Fig.2-1Geometricmodelofapump-turbine2.2计算域网格划分及其无关性验证2.2.1网格划分利用专业网格生成软件ICEM划分该模型的计算流体域网格，各个过流部件均使用六面体结构化网格，如图2-2所示。在划分网格时，对各过流部件靠近壁面的边界层网格进行局部加密，使其可以更有效地捕捉近壁面处边界层的流动状态。同时，以网格质量不小于0.3，角度不小于18°的标准来控制网格质量。2.2.2网格无关性当活动导叶开度为14°时，选择水泵工况最高效率工况点进行定常数值模拟，逐渐增加网格数量，并选用扬程和扭矩作为评判标准，从而对网格进行无关性验证，定常数值计算结果如图2-3所示。可以看出，当网格节点数大于399万时，再继续增加网格数，计算所得的扬程和扭矩值差异均不超过1%。精密的网格可以更有效准确地模拟机组内部实际流动情况，但网格节点数越多，计算所需的计算机资源以及计算周期要求就越高，因此，本文最终选择网格节点数为556万的网格以完成后续计算。其中，尾水管，转轮，活?
4压力脉动特性分析29(g)蜗壳出口压力监测点图4-1压力监测点分布图Fig.4-1Distributionofpressuremonitoringpoints为便于进一步地对压力脉动进行分析，引入压力脉动系数CP对各监测点的压力幅值无量纲化，其物理意义为压力脉动对扬程的占比[78]，其表达式如下：PPPCgH(4-1)式中：P——各工况下，各监测点的瞬时压力，Pa；——各工况下，各监测点某一段时间内的平均压力值，Pa；H——试验值结果的效率最高工况点下的扬程，m。4.20.57Qb工况压力脉动分析4.2.1尾水管处压力脉动分析为进一步探讨尾水管出口处的压力脉动特性，本文对各监测点压力脉动系数进行快速傅里叶变化（FFT），得到其频谱图，如图4-2所示。布置在尾水管管壁的监测点DT11-DT14处脉动幅值最大，其第一主频2fn；而中间监测点DT21-DT24处压力脉动幅值次之，但此四个监测点压力脉动的主频是9fn，该频率由尾水管与转轮间的动静干涉引起；第三层监测点DT31-DT34处压力脉动幅值极小，其主频为0.2fn。通过对同一平面圆周方向的压力脉动分析可知，尾水管进口处压力脉动幅值沿着管壁向内侧方向降低，最外层压力脉动主频为两倍的转频2fn；中间层压力脉动主频为叶片通过频率9fn；最内层压力脉动主频为0.2fn；但其幅值极校4.2.2转轮处压力脉动分析为了对比转轮靠近上冠侧span0.02跨面、中跨面span0.5以及靠近下环侧的span0.98跨面上不同位置监测点处的压力脉动情况的差异，本文将对这三个跨面上监测点压力信号的峰峰值以及压力标准差进行初步分析。压力信号峰峰值可以反应压力变化范围的大小，而压力标准差可以反应压力脉动幅值大校
本文编号：3410893
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究路线流程图
2数值计算方法及前处理设置92数值计算方法及前处理设置2.1模型的建立计算以某抽蓄电站模型水泵水轮机的几何和物理模型为对象，其三维全流道几何模型如图2-1所示，该模型有五个过流部件，分别为转轮、尾水管、蜗壳、活动导叶及固定导叶。利用三维建模软件UG建立该水泵水轮机的实体模型。当水泵水轮机作为水泵模式运行时，流体以尾水管为进口流入，以蜗壳为出口流出。该模型的几何参数分别为：转轮进口直径D1=553mm，转轮出口直径D2=251.98mm（水轮机工况），转轮叶片数Zb=9，导叶高度b0=37.76mm，其中，固定导叶数Zc=20，活动导叶数Z0=20。此外，该水泵水轮机的额定转速为1150r/min，计算所用的活动导叶开度α=14°。图2-1水泵水轮机几何模型Fig.2-1Geometricmodelofapump-turbine2.2计算域网格划分及其无关性验证2.2.1网格划分利用专业网格生成软件ICEM划分该模型的计算流体域网格，各个过流部件均使用六面体结构化网格，如图2-2所示。在划分网格时，对各过流部件靠近壁面的边界层网格进行局部加密，使其可以更有效地捕捉近壁面处边界层的流动状态。同时，以网格质量不小于0.3，角度不小于18°的标准来控制网格质量。2.2.2网格无关性当活动导叶开度为14°时，选择水泵工况最高效率工况点进行定常数值模拟，逐渐增加网格数量，并选用扬程和扭矩作为评判标准，从而对网格进行无关性验证，定常数值计算结果如图2-3所示。可以看出，当网格节点数大于399万时，再继续增加网格数，计算所得的扬程和扭矩值差异均不超过1%。精密的网格可以更有效准确地模拟机组内部实际流动情况，但网格节点数越多，计算所需的计算机资源以及计算周期要求就越高，因此，本文最终选择网格节点数为556万的网格以完成后续计算。其中，尾水管，转轮，活?
4压力脉动特性分析29(g)蜗壳出口压力监测点图4-1压力监测点分布图Fig.4-1Distributionofpressuremonitoringpoints为便于进一步地对压力脉动进行分析，引入压力脉动系数CP对各监测点的压力幅值无量纲化，其物理意义为压力脉动对扬程的占比[78]，其表达式如下：PPPCgH(4-1)式中：P——各工况下，各监测点的瞬时压力，Pa；——各工况下，各监测点某一段时间内的平均压力值，Pa；H——试验值结果的效率最高工况点下的扬程，m。4.20.57Qb工况压力脉动分析4.2.1尾水管处压力脉动分析为进一步探讨尾水管出口处的压力脉动特性，本文对各监测点压力脉动系数进行快速傅里叶变化（FFT），得到其频谱图，如图4-2所示。布置在尾水管管壁的监测点DT11-DT14处脉动幅值最大，其第一主频2fn；而中间监测点DT21-DT24处压力脉动幅值次之，但此四个监测点压力脉动的主频是9fn，该频率由尾水管与转轮间的动静干涉引起；第三层监测点DT31-DT34处压力脉动幅值极小，其主频为0.2fn。通过对同一平面圆周方向的压力脉动分析可知，尾水管进口处压力脉动幅值沿着管壁向内侧方向降低，最外层压力脉动主频为两倍的转频2fn；中间层压力脉动主频为叶片通过频率9fn；最内层压力脉动主频为0.2fn；但其幅值极校4.2.2转轮处压力脉动分析为了对比转轮靠近上冠侧span0.02跨面、中跨面span0.5以及靠近下环侧的span0.98跨面上不同位置监测点处的压力脉动情况的差异，本文将对这三个跨面上监测点压力信号的峰峰值以及压力标准差进行初步分析。压力信号峰峰值可以反应压力变化范围的大小，而压力标准差可以反应压力脉动幅值大校
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