数据驱动的水泵水轮机综合特性曲线优化表达

基于一水泵水轮机的水轮机工况综合特性曲线,文章旨在提出一种数据驱动的三维综合特性曲线表达方法,并提出遗传模糊算法用于寻找最优运行点,基于文章所提出的方法,单位流量、单位转速、效率、导叶开度等关系得到了直观清晰的表达,最优运行范围也得到了有效确认,对电站高效运行、提高经济效益具有参考意义。

抽水蓄能机组的水动力学与稳定性

随着全球对气候变化的关注不断增加,许多国家纷纷采取行动,以减少碳排放并转向更可持续的能源。目前,在我国的电力系统结构中,火电的比重偏高十分明显,主要依赖煤炭等不可再生能源,这导致碳排放量大幅增加,并对环境造成了严重污染。在这一背景下,我国也提出了实施双碳目标的承诺,即到2030年实现碳达峰,到2060年后实现碳中和。为实现这一目标,中国需要进行能源利用方式的转换,其中抽水蓄能机组的重要性逐渐凸显。

泵站流量衰减问题分析与进水系统改造

为解决某抽黄灌区枢纽泵站机组流量大幅衰减问题,采用计算流体动力学(CFD)方法对其衰减原因进行分析,提出进水系统改造方案,并对改造前后的进水系统流态进行数值模拟对比。结果表明:改造前,在箱涵进口产生明显吸入涡,大量气体和杂质经箱涵高速进入吸水池后,造成池内水流上下翻滚,导致水泵吸水性能极差,运行一段时间后流量迅速衰减;改造后,进水系统流态得到有效改善,进水池低速区变小,吸水池水流上下翻滚现象消失,水泵吸水性能提升较大,机组流量衰减现象得到明显改善。通过实测改造前后泵站的运行流量,验证了CFD用于泵站内部流场模拟的可靠性;在后续对原有工程进行改造时,可先采用CFD对原始系统进行流场模拟,有针对性地进行结构改造。该泵站流道改造前后效果验证,进水系统设计时,应尽量保持各进水建筑物压力流或明流相同。

叶片出口倾斜对立式导叶蜗壳离心泵性能影响研究

在长距离输水工程中,大型离心泵往往是核心设备。随着各国水网的逐步发展,立式导叶蜗壳式离心泵越来越受到重视,相关的应用也越来越多。由于其大尺寸的机组采用了固定导叶来进行导流与承重,机组本身的性能受到了一定影响。本文以高扬程、大流量的立式导叶蜗壳式离心泵模型为研究对象,结合模型试验与CFD模拟等方法,研究了三种不同叶片出口倾斜模式(正倾斜、垂直、负倾斜)给机组带来的不同流量下的性能变化。最终发现在流量较小(0.150~0.200m^(3)/s)时,叶片出口采用负倾斜模式的目标离心泵扬程H最大,采用正倾斜模式的效率η最大;流量较大(0.250~0.350m^(3)/s)时,三种倾斜模式下的扬程H、效率η没有明显差异。对于压力脉动,本文发现在进水管和无叶区,正倾斜模式都能很好地降低压力脉动的主频振幅,同比削弱均在10%以上(相较于最大值)。总之,采用正倾斜模式的叶片出口基本上能很好地降低压力脉动,同时也能较好的兼顾扬程与效率。在将来的大型水泵机组建设中,如果将离心泵的叶片出口设置为正倾斜模式,可能对提升大型水泵的运行稳定性和性能起到较大的帮助作用。

立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收特性分析

立式离心泵反转可作能量回收,利用水力机械的可逆性,实现电网的调节和碳排放的降低。泵工况与水轮机工况运行存在差异,是反转能量回收需要明确的一点。本文旨在模型实验的基础上,引用湍流控制方程,进行以计算流体动力学(CFD)为基础的分析,将泵工况与水轮机工况性能模拟结果、过流部件水力损失、流动能量损失评估方法进行对比,得到在不同水轮机工况与泵工况下的工作特点规律,以此来讨论立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收的特性,并且评估反转能量回收的可行性。结果表明,水轮机工况(反转)的高效区对应流量比泵工况略大。泵工况水力损失以叶轮出口和导叶为主,水轮机工况则以叶轮和尾水管为主。本研究可对水力机械反转能量回收技术提供进一步科学支持。

大型立式离心泵反转全特性曲线S区研究

随着化石燃料的快速消耗和产生的环境污染,许多公用事业已将其发电来源改为可再生能源。我国大型清洁可再生能源基地的集约化开发以及国家电网的智能化建设,需要大量的电站来进行电网调节。大型离心泵是一种用于大规模调水的通用机械,作为叶片式水力机械,它本身也具有可逆运行的能力。现有的大型离心泵机组,可实现反转发电的功能。本文以某大型立式离心泵为研究对象,在试验研究的基础上开展了水泵反转作水轮机S区数值模拟,对S区中的稳定区、近飞逸区、近零流量区以及反水泵区共四个特殊运行工况的压力、速度以及湍动能等特性进行了分析,对利用现有的水库与水力机械辅助低碳电网运行具有重要意义。

叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究

为探究叶顶间隙的改变对半开式叶轮离心泵外特性的影响,本文以一公开实验数据的半开式模型泵为研究对象,选取叶顶间隙δ分别为0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm和2.0mm九种方案,选取SST k-ω模型预测湍流,基于ANSYS-CFX对模型泵进行全流道数值模拟。通过CFD-Post对计算结果进行处理,得到不同叶顶间隙下离心泵扬程、效率、轴向力、轴功率四个参数变化情况以及不同叶顶间隙方案下间隙内流动情况,结合其曲线斜率、一阶导数值、内部流场情况进行深入分析,得出不同叶顶间隙下各参数的变化规律,为综合考虑各参数增长速度以及水泵应用的要求而设计半开式离心泵叶轮叶顶间隙值提供了一定的参考。

混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。

基于数值仿真的轴流式水轮机反向抽水性能评价

为了对轴流式水轮机反转条件下做泵实现储能的性能进行评价,对某型号的轴流转桨式水轮机进行数值模拟研究,通过选取5种导叶开度和4种桨叶开度进行组合,导叶开度分别为30°、35°、40°、45°、50°,桨叶开度分别为15°、20°、25°、30°。对每种组合情况在流量变化范围为0.5Q_(d)~1.3Q_(d)内分别进行数值模拟计算,并对每种组合情况下的扬程、效率和功率分别进行分析。结果表明:桨叶开度与水轮机反向抽水扬程呈正相关关系,即桨叶开度越大,轴流式水轮机反向抽水扬程越高。而桨叶开度与水轮机反向抽水效率呈负相关关系,即桨叶开度越大,反向抽水效率越低。桨叶开度对水轮机反向抽水功率变化影响显著,而导叶开度对水轮机反向抽水功率的影响较小。

抽水蓄能机组泵工况驼峰能量特性分析

在水泵水轮机在泵工况运转时,随着流量的减少,扬程会发生不稳定的变化,在很大程度上影响机组运行的稳定性和安全性。因此,对水泵水轮机在不稳定工况下的水动力特性研究对其优化设计意义重大。在本文中采用了CFD数值模拟和模型试验的方法研究了泵工况下Q-H曲线的不稳定性。计算流体力学模型采用分离涡模拟对流动细节进行了研究。结果表明:水力损失是扬程不稳定变化的原因,流型差是损失的来源。在不稳定、小流量范围内,液流流动方向不再与导叶方向一致,流道内会形成不良的流动结构。因此,通过适当调整导叶开度可以改善流动状态和减少水力损失。这将提高实际工程应用中的运行稳定性和安全性。

基于流固耦合的混流式水轮机转轮静应力特性分析

近年来,国内外一系列大型水轮发电机组频繁发生转轮叶片投产后短期内出现穿透性裂纹问题,对机组安全稳定运行构成了威胁。长期以来人们一直在寻找由于水力激励引起转轮叶片应力特性的计算方法。本文首先对混流式水轮机全流道内流场进行了多工况的CFD计算,得到不同工况下转轮叶片表面水压力载荷,并利用顺序流固耦合方法对转轮在各种工况下的应力特性进行计算。结果表明在大部分工况下该转轮叶片最大静应力基本上与水轮机功率成线性关系。本文计算结果可为其它水轮机转轮的应力特性分析及转轮疲劳裂纹分析提供参考。

预开导叶下水泵水轮机S特性及其压力脉动分析

可逆式水泵水轮机兼具了发电以及储能的特点既满足人们环保意识的需求也满足对功率的平衡与控制。但水泵水轮机在S特性区内运行会发生机组并网困难或者甩负荷过程中水压异常上升,使机组振动加剧。为探究预开启导叶的方法对水泵水轮机S特性的改善,对水泵水轮机模型分别在同步导叶和不同预开启导叶条件下进行能量试验及全流道内流场的(Computational fluid dynamics,CFD)数值计算;通过试验数据与计算结果的对比分析预开导叶后水泵水轮机S特性及其压力脉动特征。CFD计算结果及模型试验数据表明,预开导叶的方法能有效解决水泵水轮机S特性问题,但是预开导叶后,飞逸工况下的单位流量变大,造成转轮内的流动轴对称特性较差,导致机组的脉动加大,尾水管压力脉动幅值较大,运行稳定性较差,所以通过预开导叶的方法来改善S特性仍然存在弊端。

复合叶轮改善双吸式离心泵空化性能研究

针对双吸式离心泵在大流量工况下容易遭到汽蚀破坏,运行可靠性差的问题,采用长短叶片复合叶轮对双吸泵的空化性能进行改善研究。选用SST k-ω湍流模型及Rayleigh-Plesset空化模型,对常规叶轮和复合叶轮双吸泵进行了全流道三维定常数值计算,并与试验结果进行了对比,对叶轮内部流场进行了分析。研究表明,长短叶片复合叶轮能够显著改善双吸泵的空化性能,降低必需空化余量,减小空化区的范围,改善叶片表面压力分布及叶轮内部流动状况,在大流量工况下改善效果更为明显。

基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析

为了开展基于双向流固耦合的水轮机转轮叶片应力特性分析,通过坐标变换将直角坐标系下的连续方程和动量方程变换到任意拉格朗日坐标系下,建立流场控制方程,采用FCBI-C方法得到离散方程.在旋转坐标系下建立结构静力学方程,采用有限元法进行离散,得到转轮的有限元方程.使用迭代法双向流固耦合,对流体方程和结构方程进行迭代,直到流固耦合系统收敛.通过基于双向流固耦合的混流式水轮转轮应力场计算可得:单、双向耦合条件下转轮应力和位移分布趋势基本一致,最大点位置相同;转轮的有效应力相对差值随着变形的增大而增大,均在位移变形值最大点最大;变形量大小是单、双向耦合计算结果差别的重要因素,在小变形情况下,精度要求不高时可用单向耦合代替双向耦合进行计算.

双蜗壳式双吸泵隔板结构对叶轮径向力的影响

分别对单、双蜗壳式双吸泵10个工况点进行全三维流道的数值模拟和试验测试,发现由于双蜗壳式泵内部隔板设计不合理,导致双蜗壳泵较单蜗壳泵在原设计工况点的扬程、效率分别相对下降了21.8%和41.3%。依据双蜗壳设计基本原理,对隔板结构提出3种改进方案,利用雷诺时均方法(RANS)和SST k-ω湍流模型对每一方案进行全三维流道的定常数值模拟。模拟和试验结果表明:2号双蜗壳泵既保持了泵原有的水力性能,又能够有效地减小叶轮径向力,因此得到双蜗壳式双吸泵中隔板结构的最优设计模型:起始位置为隔舌绕基圆旋转180°、曲线方程为对数螺旋线、终止位置为隔板起始点旋转180°。

混流式水轮机叶片疲劳裂纹分析及其改进方案

近年来,国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题,对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以混流式水轮机为研究对象,通过全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算,分析该转轮产生疲劳裂纹的原因。随后提出在叶片出水边和上冠连接处加装应力释放三角块的方案,以降低叶片最大有效应力值、改善叶片应力分布。计算结果表明该方案可以明显降低叶片最大有效应力、改善叶片应力分布。计算结果也可为其它水轮机转轮的疲劳裂纹及其应力特性分析提供参考。

涡带工况下混流式水轮机转轮动应力特性分析

近年来,国内一些大型混流式转轮出现了不同程度的裂纹问题,对机组安全运行构成了威胁。研究表明,水力激励引起的混流式水轮机转轮叶片动应力是引起叶片疲劳破坏的主要原因之一。文中首先对高水头小负荷的涡带工况下混流式水轮机内流场进行非定常CFD计算,得到涡带工况下叶片表面不同时刻的水压力载荷,并利用流固耦合方法对转轮进行结构场瞬态特性计算,分析转轮叶片的动应力特性。结果表明由于水压力脉动引起的转轮叶片上的振动交变动应力是混流式水轮机疲劳破坏的主要原因之一。计算结果可为其它水轮机转轮的动应力特性分析和疲劳分析提供参考。

液固耦合对水轮机固定导叶振频振型的影响

通过对固液界面的压力和法向加速度的分析 ,并引入虚功原理的附加质量 ,得到弹性体在液体中的结构方程 ,并应用此方程对水轮机固定导叶在水中的固有频率和固有振型进行解析 。

用小波包分析提取水轮机尾水管动态特性信息

研究了小波包在水轮机尾水管的压力脉动信号处理中的应用 ,提出了基于小波包分解的特征提取方法 .

混流式水轮机转轮的动力学研究

混流式水轮机转轮是重要的水下旋转部件。由于水力不稳定流场的激励作用，使叶片产生动应力而容易引起疲劳破坏。在分析其原因时，转轮动态特性的研究是必不可少的。本文通过振动相似分析物体在空气中和液体中的相似关系，以及转轮在空气中的模态分析，进而分析转轮在水中的动态特性。