基于射流补水的水泵水轮机S特性改善研究

针对水泵水轮机的“S”特性提出了在导叶顶盖位置无叶区处加装注水管的解决方案,并模拟了注水管安装在不同位置时的“S”特性曲线,分析了加装注水管后转轮区域内流线及转轮各叶道流量的分布规律。结果表明,于导叶顶盖加装注水管可以有效改善转轮内部流动,减轻转轮和导叶内部流动的相互影响,减小叶道涡的尺寸,同时有效缓解了转轮各叶道流量分布不均的现象。在注水管处于无叶区中段和活动导叶附近时,对“S”特性的改善效果明显。

抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。结果表明:机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID(proportion integration differentiation)调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡带转为螺旋状涡带,之后又转变为幕布状涡带的过程。涡带的持续存在和动态变化不仅诱导了压力径向分布不均,也是导致压力波动剧烈的主要原因。研究成果可为提高抽蓄电站机组低水头起动并网成功率提供参考。

水泵水轮机低水头起动过程水力特性分析

抽水蓄能机组在低水头并网发电过程中常会由于水力不稳定性和其自身的反“S”特性导致并网失败,严重影响电力系统的调节品质。为探究水泵水轮机低水头起动过程的水力特性,基于力矩平衡方程控制转轮实时转速,采用增量式比例–积分–微分(proportion integration differentiation,PID)算法对活动导叶开度进行实时控制,借助动网格技术和计算流体动力学方法开展考虑PID控制的水泵水轮机低水头起动过程数值模拟,建立水泵水轮机内部流动演变与外特性变化的关联机制。研究表明:转轮所受压力在起动过程初始阶段最高,叶片表面压力系数为1.22,经过PID调节后减小至1.08。起动过程中转轮力矩的变化主要受叶道涡及驻点位置改变的影响,驻点在叶道内沿逆时针方向移动。水头的变化与转速和回流形态的演变密切相关,表现为转速主导影响了水头的变化频率,而回流的具体形态则影响了压力场的分布,进而决定了机组段水头的数值大小。研究成果可为提高水泵水轮机在低水头起动并网成功率提供参考。

不同负荷工况水轮发电机组轴系振动特性研究

建立水轮机组流道模型与轴系模型,采用流固耦合的方法,分析不同负荷稳态工况下水力因素诱发水轮机组轴系发生振动的动力学特性,并与电站的现场实测数据进行对比,验证该方法的可行性,进而研究典型稳态工况下的振动特性与内流特性的关联机理。结果表明,所得水导轴承处的振动特性与试验值基本吻合,振动变化与负荷变化趋势一致,因位置关系水导轴承与上导轴承的振动特性在幅值上存在一定差异,且在75%负荷工况运行时由于尾水管存在明显涡带机组水平振动幅值最大。研究结果可为水电站水轮机组在不同负荷下的稳定运行提供参考。

大型抽蓄机组水导轴承润滑油系统动态特性及甩油溢油应对策略

水导轴承润滑油系统甩油溢油现象在抽蓄机组运行中频发,显著影响了机组的安全稳定性和电站的运行环境。借助CFD数值模拟技术和VOF多相流模拟方法,探究了抽蓄机组抽水模式下水导轴承润滑油系统在多油位工况内部流动的动态特性。结果表明,低油位工况下系统流动循环形成更快,过渡过程流态稳定且油位较低,因此甩油现象更轻微,但过低油位可能导致不利于油温的控制;高油位工况下,流动前期甩油溢油现象多发生于旋转油盆毕托管侧附近,流动后期多发生于毕托管另一侧;通过对毕托管外壁改型优化的方法较传统的增大毕托管管径方法对甩油溢油现象抑制更加有效。结果为探究抽蓄机组水导轴承润滑油系统出现的甩油溢油现象机理与提出有效应对策略提供了理论基础和工程实践参考。

导叶波动对抽蓄机组低水头空载稳定影响分析

抽蓄电站低水头工况下空载不稳定是影响机组并网成功率的重要因素,针对水泵水轮机空载状态下导叶波动速率对机组空载稳定性的影响进行探究。建立白莲河电站全流道系统三维数值仿真模型,采用动网格技术联合用户自定义函数(user-defined functions,UDF)编程算法实现空载导叶波动及不同波动速度的对比计算模拟。计算结果表明,降低导叶的波动速度可以有效地降低转轮力矩的波动以及降低流体的压力脉动,其中导叶波动速度的降低对活动导叶间流态的改善效果最为明显,可以消除一些附加的频率脉动,该附加脉动是促进功率失衡的原因之一,在导叶波动速度超过0.0044rad/s时产生,并且只存在于水流未到达转轮区的区域;因此调速器在空载工况运行时,在总调节时间不超过需求时间的前提下,应尽可能使导叶波动速度降低,从而增强机组运行稳定性。

上翻式拍门开启过程的水力特性研究

为了分析拍门在启动过程中的运动状态和水力特性,以轴流泵机组的上翻式拍门为研究对象,应用Realizable k-ε湍流模型,通过用户自定义函数(UDF)对机组做设定,使用动网格中的光顺法和重构法,并结合6DOF算法,模拟出上翻式拍门的开启过程。研究结果表明:上翻式拍门在机组开启时,因为受到合力作用短暂闭合,随后被水流冲开,拍门开启速度先快后慢并趋于稳定。拍门快速开启过程为0.021~0.654 s,拍门最大开度为23.76°,机组稳定后的拍门开度维持在20.36°;在拍门开启的一瞬间,其所受的力矩和前后的水力损失较大,随后会随着开度的增加而减少并趋于稳定,该研究过程平均拍门所受力矩为11746.17 N·m,平均拍门前后水力损失为0.20 m,平均拍门前后水力损失系数为1.43。