水泵水轮机尾水管压力脉动特性及涡带特性分析

抽蓄电站是电网的重要组成部分,水泵水轮机长时间偏离最优工况运行会导致水力不稳定问题,其中,尾水管涡带和压力脉动问题备受关注,严重影响机组安全稳定运行。以水泵水轮机为研究对象,分析了其尾水管内流特性与压力脉动时频特性。对比了两种第二代和两种第三代涡识别方法对尾水管涡带演化过程的可视化效果,Omega-Liutex涡识别方法对阈值依赖性小且对涡带形态的识别更清晰完备,因此,采用Omega-Liutex涡识别方法研究了不同负荷工况下尾水管涡带的瞬态变化特性。研究结果可以为水泵水轮机稳定运行提供一定的理论参考。

抽水蓄能机组特性曲线对电站水力过渡过程的影响

为了研究抽水蓄能机组特性曲线对过渡过程的影响,采用三组比转速接近的已建电站的特性曲线对某电站进行了水力过渡过程计算分析。通过对比计算发现:减小飞逸曲线与机组运行轨迹线交点的单位转速,有助于降低机组最大转速上升率。初始工况点应选在特性曲线相对平滑的地方,有助于减小机组在过渡过程中的流量变化,降低蜗壳进口最大压力。“s”特性斜率变化率越小,整体越平滑,尾水管进口最小压力越高。可以为项目前期选择合适的转轮提供理论依据。

分数阶转子-轴承耦合系统非线性动力学分析

为深入挖掘水轮发电机组转子-轴承系统的非线性耦合振动特性,将该系统的阻尼力从传统的固定整数阶扩展到灵活多变的分数阶范围。建立了含分数阶阻尼的转子与含分数阶的轴承在耦合作用下的动力学模型,分析了不同分数阶阶次对系统的影响,探讨了含分数阶阻尼转子与轴承的耦合模型在阶次对称系统和阶次非对称系统中的不同运动形态,给出了系统不同条件下的运动状态分布图,对比了碰摩故障在整数阶和分数阶条件下不同形态的动力特征,验证了所提出分数阶阻尼的优越性。结果表明,分数阶阻尼相比于整数阶阻尼具有非局部性、记忆性和适应非线性等新的动力学特征。

李家峡水电站混流式水轮机改造关键技术分析

随着风力发电和光伏发电大规模发展,新型电力系统中新能源比例逐渐提高,水电机组启动迅速、调节灵活,因而常规水电站参与电网调能的特点越发突出。为了适应新型电力系统中多能互补的需求,水电机组的宽负荷范围稳定运行成为当下电网安全运行的迫切需求。以李家峡水电站#3水轮机为例,提出了水轮机改造设计理念,阐明了多能互补系统要求下水轮机改造的关键点,为水轮机的技术改造提供了方向。改造后的现场试验和运行数据表明,部分负荷工况下顶盖压力脉动极值降低了77.6%,顶盖的振动幅值也显著降低,可见部分负荷下水轮机的稳定性得到明显提升。同时,改造后水轮机成功实现了(0~100%)P_(r)(P_(r)为水轮机额定功率)全负荷范围内稳定经济运行,满足了新型电力系统对水电的调能要求,可为将来类似水电站的改造设计提供借鉴。

基于轴流泵改造的水泵水轮机转轮设计及优化

为探究基于轴流泵改造的轴流式水泵水轮机的水力性能,基于泵的流道,对轴流式水泵水轮机进行设计、数值计算。选取叶片进口安放角、出口安放角、叶片厚度、叶片数4个因素,应用L9(3^(4))正交表进行正交优化设计分析。结果表明,叶片数对轴流式水泵水轮机的性能影响最大,优化后的水泵工况效率提升了1.45%,水轮机工况效率提升了1.74%。优化得出的叶片水泵工况和水轮机工况的工作面背面的压力分布均匀,流态良好。泵工况下叶片做功效果良好,水轮机工况下的流道流线有明显改善,优化效果良好。设计的水泵水轮机在水泵工况下的工作流量为315~350 L/s,扬程范围为8.01~9.42 m;水轮机工况的工作流量为368~403 L/s,水头范围为6.80~10.72 m。研究结果可为泵站轴流泵改造抽水蓄能提供一定的理论支撑和性能参考。

针对水轮机调节系统隐蔽攻击的混沌跳频扩频防御方案

水轮机调节系统作为水电机组的关键部分,其安全运行至关重要。为提高水轮机调节系统的安全性,设计了一种防御方案,检测并防御系统中潜在的隐蔽攻击。首先通过对系统信号进行混沌跳频调制和解调,消除隐蔽攻击的不良影响;其次,基于理论分析,推导出维持系统稳定的跳频频率约束,保证系统性能不因加入跳频/扩频信号和频率异步现象而受损。仿真结果表明,该方案能够在非高斯噪声环境中持续检测和防御不同类型的高强度隐蔽攻击,且不影响系统正常运行。此外,所提出的防御方案还具有复现隐蔽攻击信号的能力,这有助于操作员了解攻击信息并采取针对性措施。

基于ICEEMDAN-VMD与结合注意力机制的简单循环单元的水轮机故障诊断

基于水电机组振动信号存在的非平稳和非线性,提出一种结合二次分解和简单循环单元(SRU)与注意力结合(Attention)的方法。首先采用ICEEMDAN和VMD方法对振动信号进行二次分解,将信号分解成本征模态函数(IMF);随后,引入基于SRU的深度学习模型,将提取得到的IMF信号输入到SRU中进行学习得到水电机组故障识别器。为了进一步提升模型的性能,在SRU中加入了注意力机制,使模型能够动态地关注不同IMF的重要信息。结合故障识别器和实时振动信号特征,即可识别水电机组运行状态为:正常、预警或故障类型;最后,为验证该方法的有效性,通过对比试验,结合实际电站机组样本数据,验证了所提方法在挖掘信号特征方面的可行性和优越性。

500 MW级冲击式水轮机配水环管加工工艺研究

介绍了500 MW级冲击式水轮机配水环管的加工工艺以及厂内装配工艺研究。配水环管是冲击式水轮机的重要过流部件,配水环管设计为多节,每节配水环管厂内加工、整体预装完成后分节运输到电站进行装配焊接,各节配水环管的加工尺寸和管口角度对现场安装起决定性的影响,对后期机组的稳定运行有重大影响。通过对配水环管各节加工工艺研究,确定了配水环管制造加工工艺流程,保证了配水环管加工精度和质量,配水环管整体厂内装配,经过高精准测量,保证了配水环管装配后尺寸满足设计和安装要求。

水轮机调速器控制方法一次调频性能分析

水轮机调速器控制方法对一次调频性能影响较大,实际电站中大量存在小频差一次调频性能不合格情况。通过分析水轮机调速器的不同调节模式,提出了一种开度和功率双PID控制方法。搭建了基于非线性水轮机模型的仿真分析平台,分别分析了电站水头变化和不同频差时水轮机调速器不同控制方法的一次调频性能。分析结果表明:开度控制模式在不同运行工况下的一次调频性能指标差异较大,功率调节模式在小频差下会导致一次调频无响应或调节功率不够。变前馈+反馈功率控制方法和开度与功率双PID控制方法的一次调频响应功率与积分电量贡献在不同工况下的一致性较好,不同频差时的功率响应比和积分电量贡献比基本一致。

浇注聚氨酯耐磨涂层在水轮机转轮上冠汽蚀区应用

早期水轮机转轮上冠、叶片多采用不同材质材料焊接而成,多年运行后易在上冠区域产生汽蚀破坏,随着水轮机运行时间延长,上冠汽蚀破坏的速度会显著增快。采用浇注聚氨酯耐磨涂层技术对水轮机转轮上冠汽蚀区进行抗汽蚀防护,经过五年运行,涂层基本完好,起到了较好的汽蚀防护效果,有效防止汽蚀破坏区域扩展。该技术对存在同类问题的水电站具有参考价值。

高水头电站水轮机泥沙磨损评估及抗磨蚀综合措施

对于高水头电站,泥沙磨损的影响在水轮机的设计和参数选择中是一个不可忽视的问题。以科哈拉水电站为例,根据电站的泥沙特性,对水轮机的泥沙磨损进行试验和评估。从水轮机参数选择、水力设计、结构及工艺、材料及表面防护、调度运行等方面提出了针对性的抗泥沙磨蚀综合措施。研究内容可为其他高水头电站水轮机抗磨蚀方案的设计提供参考。

水轮机修复堆焊技术研究现状分析

传统能源逐渐枯竭,且对环境影响较大.国家大力推动绿色清洁能源的发展.水力发电占比也逐年提高,对水轮机相关技术的研究有了更高要求.我国河流泥沙含量大,泥沙含量越高,水轮机关键零部件磨损就越大.水轮机零部件修复技术存在成本高、效率低且质量难以保证等问题,因此亟需研究低成本高效率的智能堆焊修复技术.应用于轮机的先进堆焊技术可以促进绿色环保、提高能源利用率,同时也可促进国民经济发展和振兴机械工业.

基于谐响应分析的冲击式水轮机转轮共振预测

冲击式水轮机水斗的疲劳断裂与转轮的周期性振动密切相关。以六喷嘴冲击式水轮机模型机组转轮为研究对象,采用基于模态叠加的谐响应分析法,获取转轮在实际工作载荷激励下的形变与应力响应并评估薄弱部位,结合坎贝尔图确定共振转速。结果表明,在实际运行工况下转轮三阶模态振型最易被激发,最大形变值为21.50mm,位于水斗尖端;七阶与八阶频率下被施加最大简谐载荷的水斗等效应力值较大,从根部向水斗尖端缺口处递减,最大应力值出现在分水刃根部,发生明显的应力集中;坎贝尔图显示易发生谐共振的转速为587r/min、660r/min、785r/min,在实际运行中应进一步测试与避免。

阀门开度对余压发电水轮机水力性能的影响研究

为了研究阀门开度对余压发电水轮机水力性能的影响规律,以肖家河污水处理厂的余压发电水轮机为研究对象,选取3种不同开度的阀门进行对比,采用Ansys CFX软件的standard k-ε湍流模型进行全流道数值模拟,得到阀门开度与余压发电水轮机水力性能之间的关系。结果表明:阀门开度对余压发电水轮机外特性的影响呈非线性关系。阀门开度小于50°时,开度的变化会明显影响水头,但随着开度增加,其影响逐渐降低;流量的增加会导致不同开度下外特性之间的差距扩大。高湍动能区域主要分布在泄水锥与阀门附近,随着流量的增加,余压发电水轮机内阀门附近的高湍动能区域增加,而泄水锥附近的高湍动能区域减少。在相同工况条件下,阀门开度越大,流道内的高湍动能区域越少,而流量增大会增加由阀门开度引起的湍动能特性之间的差异。

水泵水轮机导水机构与转轮动应力特性分析

为探究水泵水轮机转轮和导水机构的动应力特性,通过建立水泵水轮机导水机构(固定导叶与活动导叶)及转轮的固体域模型,并基于流固耦合的方法对转轮、导水机构在水泵水轮机发电、抽水等多工况展开计算分析,以获得转轮及导水机构的应力特性。计算结果表明:转轮叶片与上冠“T”型连接处的应力集中与转轮进口处旋涡发展状态有关;转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源,且主频为叶片通过频率;较小开度或低水头工况下机组运行靠近不稳定区,活动导叶与转轮的动应力均较大,但活动导叶对水流的约束引导作用使其动应力值相比于转轮更高,且流量的增大有利于降低转轮所受动应力。因此可考虑通过改变导叶尾端与转轮进口间距,调整无叶区宽度或调整机组运行区域,避免长时间运行在低负荷、小开度工况下可进一步改善转轮所受动应力情况。

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。

泥沙粒径对轴流式水轮机磨损特性的影响

为了明确轴流式水轮机泥沙磨损特性,以某电站水轮机为研究对象,基于欧拉-拉格朗日多相流模型开展了固液两相流动数值研究,重点关注泥沙粒径对机组过流部件表面侵蚀率和侵蚀分布的影响.研究发现,叶片正、背面轮缘附近为泥沙磨损高风险区.随着泥沙粒径增大,叶片正面侵蚀程度加剧,背面侵蚀程度减小,磨损区域逐渐集中在轮缘附近;颗粒受泄漏涡影响在转轮室壁面形成沿旋转方向的条状侵蚀痕迹;尾水管锥管段侵蚀率逐渐降低,不同出口流道磨损程度的差异性增大,泥沙颗粒在锥管段形成沿泄漏涡延伸方向的带状螺旋侵蚀痕迹.在运行过程中,磨损程度最大的部件是尾水管,其次为转轮和转轮室,应避免机组长时间在过小或者过大泥沙粒径条件下运行,检修时应重点关注转轮叶片和转轮室的泥沙磨损情况.研究归纳出轴流式机组运行过程中的泥沙磨损高风险区,可为水轮机各过流部件泥沙磨损的定量分析提供一定参考,有助于合理安排机组检修周期,同时为轴流式水轮机进一步优化设计提供理论基础.

白鹤滩百万千瓦水轮发电机组转轮动应力特性研究

转轮是白鹤滩水电站百万千瓦水轮发电机组研发难度最大和制造难题最多的核心部件,为有效预防转轮裂纹,选择白鹤滩水电站右岸#12机组作为研究对象,探索百万千瓦水轮机转轮动应力测量方法,研究运行稳定性和转轮动应力特性,揭示机组转轮动应力真实分布规律,用于指导机组在合理运行区运行,延长叶片使用寿命,提高机组运行可靠性。白鹤滩水电站#12机组稳定性和动应力测试分析表明,机组机械部分制造和安装质量优良,运行稳定性表现优秀;转轮叶片动应力在全负荷范围内保持在较低状态,远低于材料的许用应力值,甩负荷等过渡过程产生的动应力幅值大于稳定工况动应力幅值;稳定工况下,转轮叶片动应力典型频率成分为1.785、42.84、0.45 Hz,这分别是机组转频、24倍转频和涡带频率,对应的动应力分量由蜗壳内非轴对称速度干扰叶片进口流动、活动导叶出口的不均匀流场干扰叶片进口流动和涡带尾水压力脉动引起。

混流式水轮机流动特性及寿命分析

混流式水轮机流动为一个不稳定的瞬态过程,启动和停机时的水力冲击压力脉动均会对水轮机的部件产生不利影响。为了获取水轮机内部流场及关键部位材料流场变化及压力载荷信息,以滩坑水电站水轮机为例,利用Creo 3D建模软件完成对整个水轮机全流道1∶1的三维数值仿真模拟,采用Meshing构建水轮机的流体网格模型,采用Fluent进行准确计算,对不同转速下混流式水轮机进行流场分析及寿命评估。结果表明,由于水轮机的旋转作用,其接近尾水管区域负压尤为明显,随着转速的增加,其负压更加明显。随着水轮机转速的增加,尾水管边缘区域流体流速更大,且尾水管出口区域流速分布不均,更容易产生较大的阻力;转轮下方空化情况逐步剧烈,这是由于转轮后方负压区逐渐增加所致,空化区域均分布于叶片背面靠近转轴部分,水轮机叶片正面和背面压力有明显减小趋势,转轮叶片背面负压范围接近20%,因此会发生汽蚀破坏;同时转轮所受应力也在增加,应力主要集中在叶片尖端,最大应力的增加使得转轮寿命减小,更容易产生裂纹,研究结果可为实际运行提供参考依据。

超大容量水斗式水轮机水力特性数值模拟分析

为满足超高水头、超大容量水电站建设需求,提出了一种额定水头1000 m,单机容量接近800 MW的三转轮立轴串联水斗式水轮机方案。阐明了这种通过增多转轮来增大容量的设计理念和结构组成,给出了方案的理论设计参数,并应用CFD模拟预测了其水力特性、分析和优化转轮及转轮室流态。研究表明:三转轮水斗式水轮机的额定工况效率可达87%,工作特性曲线变化平稳。转轮室溅水干扰是影响效率的主要因素。通过优化各层转轮相对位置和喷嘴方位,可一定程度提高效率,减小力矩振荡,保证出力稳定。此初步尝试证明了概念的可行性,也发现溅水优化的重要性,能为后续优化研究提供参考。