水泵水轮机驼峰区流动机理及瞬态特性研究

发布时间：2018-10-26 17:41

【摘要】：抽水蓄能既是目前电力系统中最为理想的大规模调峰电源,也是最为理想的能量储藏方式。随着风能、太阳能受环境影响较大的可再生能源在电网中大量投入,需要抽水蓄能机组通过频繁的工况转换(水轮机和水泵工况的启动、停机以及负荷变化等)来平衡电网负荷的快速变化,要求水泵水轮机具有更好的运行灵活性(更快的工况转换速度和更宽的稳定运行范围),而驼峰区和S区不稳定特性是制约其灵活性的技术关键。相比于过去的水泵水轮机,目前的水泵水轮机随着扬程和比转速的增高以及功率的增大,驼峰区和S区不稳定特性对水泵水轮机灵活性的影响更加突出,从而成为水泵水轮机领域研究的技术核心与关键,是一道世界性难题,受到世界水力机械领域的重视并开展深入的研究。本研究以水泵水轮机驼峰区特性为目标,采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的研究方法,针对目前我国装机单机容量最大的水泵水轮机(375MW)水泵工况驼峰不稳定特性展开了基础理论研究,对驼峰不稳定特性流动机理进行了探索,寻求解决相关问题的具体技术方法以及提出更好的分析手段;同时,推进我国抽水蓄能电站设备国产化工作进程。(1)通过模型试验的方法研究了不同活动导叶开口下的能量特性及压力脉动特性,验证了该水泵水轮机在不同活动导叶开口下存在驼峰特性并伴随迟滞效应。运用短时傅里叶变换、互功率谱等信号处理法,对压力脉动信号进行分析,确定了驼峰特性及伴随的迟滞效应与双列叶栅和无叶区内的低频脉动有关,分析结果表明低频脉动来源于旋转失速或非稳态旋涡运动。(2)为揭示驼峰特性及伴随的迟滞效应形成机理,基于两方程SST k-ω湍流模型,采用数值模拟的方法对该水泵水轮机模型水泵工况进行稳态数值研究,计算得到13mm、19mm和25mm活动导叶开口外特性曲线,与试验结果一致。采用欧拉理论和水力损失分析方法对19mm活动导叶开口进行详细分析,结果表明,靠近最优工况的驼峰特性主要是由水力损失的增加导致的,而远离最优工况的驼峰特性是欧拉能量的减少和水力损失的增加导致的。在驼峰区内,由于流量增大方向和流量减小方向上欧拉能量和水力损失的不同,导致迟滞效应的出现,致使驼峰不稳定区域增大。此外,通过对不同活动导叶开口同一工况点进行数值分析,获得了活动导叶开口对驼峰特性的影响。(3)为准确地获得导致驼峰特性产生的水力损失来源,采用熵产理论确定了水泵水轮机水泵工况下的水力损失分布。考虑局部熵产率壁面效应,提出了采用壁面方程,解决了熵产损失在壁面处计算不准确的问题。通过熵产理论分析,得出了驼峰特性及伴随的迟滞效应主要来源于转轮入口靠近下环的回流和双列叶栅中分离涡所引起的水力损失。(4)采用非定常数值模拟方法研究了19mm活动导叶开口下的驼峰区工况点压力脉动特性,揭示了引起驼峰特性的低频脉动产生机理。分析结果表明在靠近最优工况的驼峰区工况点0.92QBEP,低频脉动来源于固定导叶内的旋转失速和喘振;在远离最优工况的驼峰区工况点0.37QBEP,低频脉动来源于活动导叶内的旋转失速;在其它非驼峰区工况点,低频脉动来源于旋涡运动和喘振。(5)采用变流量瞬态过程模拟的方法对球阀快速开启和关闭瞬态过程进行数值模拟研究,获得了驼峰特性及伴随的迟滞效应的瞬态特性。结合时频分析方法(连续小波分析),对流场、局部熵产率分布等进行分析,得到了尾水管内迪恩涡和回流以及双列叶栅中的旋转失速、分离涡的产生、发展和消散的演变规律。分析结果表明,瞬态过程导致了更明显的迟滞效应,加大了驼峰特性不稳定区域。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV136
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本文编号：2296480