带分流叶片水泵水轮机“S”区内流特性研究

论文摘要

抽水蓄能电站是世界公认的可靠调峰电源,可以配合风电、核电等低碳能源电网系统进行调峰填谷。抽水蓄能电站的关键机组是可逆式水泵水轮机组,可逆式水泵水轮机在水轮机工况下运行时有较为明显的“S”特性,“S”特性的存在会严重影响机组稳定运行,导致启动成功率低,工况转换和并网困难等问题,难以最大程度的发挥抽水蓄能电站的作用。本文以国内某抽水蓄能电站的带分流叶片水泵水轮机模型为研究对象建立水力模型,并结合该模型试验的试验报告,采用SST k-ω湍流模型,选取带分流叶片水泵水轮机7.5度导叶开度及23.5度导叶开度下,水轮机工况、零流量工况附近的制动工况和反水泵工况进行数值模拟计算,对其“S”区内流特性、压力脉动及转轮受力进行研究。本文主要研究内容如下:1.选取5个工况点的定常数值模拟结果做出“S”特性曲线图,并将之与试验报告进行对比,讨论数值模拟的可靠性和可行性;选取设计工况下的定常计算结果进行分析,探究各过流部件内部流动状态,研究不同开度对内流状态的影响。结果表明:CFD数值计算可以很好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内流特性;水轮机工况下各过流部件内流状态平稳,导叶开度越大,流动越稳定。2.对7.5度及23.5度导叶开度下零流量附近的制动工况和反水泵工况的定常数值模拟结果进行分析,探究非设计工况不同导叶开度下各过流部件的内流状态;通过与已有研究对比,分析分流叶片对转轮区流场的影响。结果表明:制动工况下全流道出现明显的不稳定流动并且小开度下尤为明显,蜗壳部分有水流阻塞产生的涡结构出现、导叶内有轻微的流动分离出现,转轮流道内有尺度较大因压力分布不均产生的旋涡,尾水管内有严重的回流现象出现;在反水泵工况下,流道有负压区产生并且大开度下负压程度较高,蜗壳及尾水管部分流动顺畅,导叶及转轮受“S”特性影响严重,导叶和转轮区域有水流冲击产生的涡结构并伴有流动分离现象出现,水流冲击多发生在转轮的中上游部分;通过和已有研究对比可以发现,机组运行在“S”特性区时,分流叶片的存在能有效地减少叶道内涡结构的产生,从而提高机组运行的稳定性。3.由定常计算知小开度下“S”特性较为严重,故对7.5度导叶开度下各工况继续进行非定常数值模拟,探究机组在水轮机工况、制动工况和反水泵工况下内流场随时间的变化规律;通过设置监测点研究7.5度导叶开度下机组的压力脉动和转轮受力情况。结果表明:水轮机工况下的内流状态随着转轮的转动变化不明显,流动相对稳定;制动工况和反水泵工况下,带分流叶片水泵水轮机的内流状态随转轮变化较大,除蜗壳和尾水管内的滞水区出现的位置相对固定,流道内多数涡结构的出现位置及尺度发展并无规律;通过压力脉动分析,转轮的叶片数在很大程度上对各监测点的脉动周期有影响,主要以叶频为主,并且越接近转轮,受到转轮影响越大,其主频或次主频会呈现出叶频的倍数变化;蜗壳区域在水轮机工况和制动工况其压力脉动主要受转轮及导叶间的动静干涉影响,主频为其叶频,而反水泵工况最主要受其自身内流特性影响;导叶区主要以高频脉动为主且受转轮影响较大;尾水管区的低频压力脉动主要是由流道内涡带引起而受转轮的影响较小;受力方面,径向力的合力呈现连续性周期变化,峰谷值个数与叶片数相对应;水轮机工况转轮所受径向力较大,轴向力较小,说明此工况机组的不稳定运行主要受径向力影响。零流量附近的制动工况转轮所受径向力较小但周期性较差,轴向力数值较大且波动幅度明显易出现“抬机”现象,故此工况内流特性最差。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 带分流叶片水泵水轮机的主要特征
•   1.3 水泵水轮机“S”特性
•   1.4 国内外研究现状
•   1.5 本文研究内容
• 第二章 模型及网格划分
•   2.1 引言
•   2.2 物理模型参数
•   2.3 网格划分及无关性检验
•     2.3.1 模型网格的划分
•     2.3.2 网格无关性分析
•   2.4 数值模拟方法
•     2.4.1 数值计算方法
•     2.4.2 湍流模型的选择
•     2.4.3 边界条件设置
• 第三章 带分流叶片水泵水轮机设计工况定常计算分析
•   3.1 工况点选择
•   3.2 水轮机工况定常计算分析
•     3.2.1 蜗壳区域水轮机工况内流场分析
•     3.2.2 导叶区域水轮机工况内流场分析
•     3.2.3 转轮区域水轮机工况内流场分析
•     3.2.4 尾水管区域水轮机工况内流场分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 带分流叶片水泵水轮机“S”区非设计工况定常计算分析
•   4.1 制动工况定常计算分析
•     4.1.1 蜗壳区域制动工况内流场分析
•     4.1.2 导叶区域制动工况内流场分析
•     4.1.3 转轮区域制动工况内流场分析
•     4.1.4 尾水管区域制动工况内流场分析
•   4.2 反水泵工况定常计算分析
•     4.2.1 蜗壳区域内流场分析
•     4.2.2 导叶区域内流场分析
•     4.2.3 转轮区域内流场分析
•     4.2.4 尾水管区域内流场分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 小开度下“S”区非定常内流特性及压力脉动分析
•   5.1 小开度下“S”区非定常内流特性分析
•     5.1.1 蜗壳区域内流场非定常分析
•     5.1.2 导叶区域内流场非定常分析
•     5.1.3 转轮区域内流场非定常分析
•     5.1.4 尾水管区域内流场非定常分析
•   5.2 “S”区压力脉动分析
•     5.2.1 压力脉动概述
•     5.2.2 蜗壳压力脉动分析
•     5.2.3 导叶区域压力脉动分析
•     5.2.4 无叶区压力脉动分析
•     5.2.5 尾水管区压力脉动分析
•   5.3 “S”区转轮受力分析
•     5.3.1 径向力分析
•     5.3.2 轴向力分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士学位期间学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 瞿晔飞

导师: 张金凤

关键词: 水泵水轮机,分流叶片,制动工况,反水泵工况,径向力,轴向力

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 江苏大学

分类号: TV136

总页数: 93

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