叶片安放角对微型轴流式水轮机性能的影响

为探究叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响,以一比转数为548的微型轴流式水轮机为研究对象,在不改变其他几何参数的前提下,仅偏置转轮叶片各翼型剖面,得到7个不同叶片安放角的转轮;在试验验证的基础上,通过全流场数值计算,分析了改变叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响.结果表明:随着叶片安放角的减小,在相同流量下水轮机的水头与出力均增大,高效率区域向小流量区域偏移,水轮机可高效运转的范围有一定程度的增大;随着叶片安放角的增大,水轮机的水头与出力减小,高效率区域向大流量区域偏移.适当减小叶片安放角的水轮机能在较大水头(流量)变化范围内维持较好的性能.其中,安放角为-4°的水轮机最高效率达到82.13%,高效率区的范围最大.该研究可为微型轴流式水轮机转轮的设计提供一定参考.

灯泡贯流式水轮机增减负荷动态特性分析

水轮机频繁经历变负荷工况转换过程,使得机组在较短时间内工作参数急剧变化,严重影响电站稳定运行。该研究以某贯流式水轮机为研究对象,在考虑自由液面和水体重力的情况下,采用动网格技术对贯流式水轮机相同出力范围下的减、增负荷过渡过程的动态特性进行分析。研究结果表明:由于增负荷和减负荷过渡过程的起始工况导致起始流动状态不同,因此在相同出力时,机组内的流动分布不同,减负荷过程尾水管内的涡流面积及强度明显小于增负荷工况,且尾水管涡带尺度也明显小于增负荷过程;相比于增负荷过程,减负荷过程中转轮叶片大范围的低压区极易引发空化;机组内的水压力脉动主要以尾水管涡带引起的0.1f_n(f_n为转频)低频压力脉动和转轮的旋转引起3f_n的高频压力脉动为主,增负荷过程的压力脉动幅值明显大于减负荷过程,两种压力脉动共同作用,使得贯流式水轮机主要振动区域集中于转轮。研究结果对贯流式水轮机的设计与运行具有一定的指导意义。

冲击式水轮机泥沙磨损试验测试系统研发

冲击式水轮机在多沙河流上运行时会面临十分严重的泥沙磨损问题。针对目前国内缺乏冲击式水轮机泥沙磨损研究试验系统的情况,研发了一套冲击式水轮机泥沙磨损试验测试系统。该系统由管路及供水系统、沙水池及泥沙搅拌系统、水轮机试验机组、数据采集与测控系统等部分组成,可支持最高水头800 m、最大流量300 m^(3)/h和最高水轮机转速2500 r/min的冲击式水轮机泥沙磨损和性能试验,采用可编程控制器(PLC)和LabVIEW软件可实现供水泵启停、水轮机转速调节和管路阀门自动控制,同时能实时监测水轮机转速、水头、流量等关键参数。经过试验显示该泥沙磨损试验测试系统具有精度高(达0.3%)、自动化水平高、运行稳定、操作简单以及人机界面友好等特点。

应急供水多级泵意外停机水力过渡过程瞬态特性

应急供水多级泵的意外停机会引起系统性能参数的剧烈变化,严重威胁供水安全。为了探究多级泵停机水力过渡过程内部流场的瞬态效应,该研究建立了基于叶轮转动平衡方程的泵停机过程转速预测方法,数值模拟分析了意外停机过程中多级泵内部流动特性。研究结果表明:在意外停机过程中,多级泵分别经历水泵工况、制动工况、反转工况以及飞逸工况4个阶段,转速呈现先减小至0后沿负方向增大的趋势,最后稳定在飞逸转速-4210 r/min附近;流量呈现先减小至0后沿负方向增大的趋势,然后再沿正方向增大,最终稳定在飞逸流量-14.32 kg/s附近;扭矩呈现先减小再增加,最后减小并稳定在零点附近。泵内流量和转速的大小、方向不断变化引起叶轮流道内流体的流动分离和回流,伴随着涡的形成、发展和破碎等时空演变;熵产值的变化与多级泵内不稳定流动密切相关,由湍流耗散所带来的损失起主导作用,在达到飞逸工况后湍流耗散熵产占比约65.2%,能量损失主要发生在叶轮流道内,且制动工况中内流场的损失较大;多级泵首级流道内监测点压力变化最为剧烈,各级监测点的压力脉动系数波动幅值随着级数的增加呈减小趋势;压力脉动振幅主导频率与多级泵转速呈现正相关关系,主导分量对应于叶轮流道的叶片通过频率,且沿着流体流动方向压力脉动频率振幅逐渐增大,压力脉动的频率特性可以反应出意外停机过程中流量的不稳定变化。研究成果可为应急供水系统安全稳定运行提供理论指导。

改变导叶翼型对水泵水轮机“S”特性的影响

针对水泵水轮机“S”特性区域的不稳定性问题,提出使用改型活动导叶翼型进行性能提升.以某水泵水轮机模型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型对水泵水轮机全流道进行三维数值计算,通过对活动导叶翼型的改型设计,得出流量-转速模拟曲线,分析水泵水轮机组“S”特性改善情况.将计算与试验结果进行对比,并对改型活动导叶翼型前后机组的无叶区进行压力脉动分析.结果表明:在保证整体效率依然保持在92%附近的前提下,新的活动导叶翼型对机组的“S”特性依旧具有改善效果;无叶区压力脉动主要是受到活动导叶叶栅区域的分流在此重新聚集影响,并且与转轮叶片的动静相互扰动引起的;改型后的活动导叶降低了无叶区的压力脉动幅值,提升了水泵水轮机运行中的并网稳定性.

基于改进引力搜索算法的水轮机调节系统仿真

针对现阶段水电机组存在多种复杂工况、工程计算受限于算法本身的复杂性等问题,提出一种改进的引力搜索算法(改进PSOGSA),以此提高水轮机控制参数的优化性能,弥补传统控制策略难以满足动态需求的不足.首先,结合PSO算法,在GSA的速度更新公式中引入学习因子进行改进.其次,应用一种权重系数优化其位置更新公式,提高算法的自适应性.最后,结合相关仿真建模试验,使用所提改进PSOGSA对水轮机调节系统PID参数进行优化调节.仿真结果表明,在5%空载频率扰动下,改进PSOGSA的PID控制器明显优于上述传统算法,所调节的模型系统能在更短时间内趋于稳定,此时的超调量远低于传统算法,表明此改进PSOGSA在后续迭代中具备更高的迭代效率,并且改善了常规算法中易陷入局部最优的问题,从而证明了改进PSOGSA的合理有效性,水轮机调节系统的控制效果在一定程度上得到优化.

基于改进VMD和GRU的水轮发电机组振动故障预警

针对水轮发电机组受水、机、电等因素相互耦合,早期故障特征被电磁和噪声所淹没难以提取的问题,设计了一种基于改进VMD和GRU的水轮发电机组振动故障预警方法。首先,采用BES算法对变分模态VMD的参数进行寻优,得到最佳的分解层数、惩罚因子和模态个数,然后采用最优的VMD算法对水轮发电机组早期的振动特征进行提取,最后将早期的振动特征输入GRU神经网络预测算法进行训练、验证和测试。仿真结果和工程实例表明,该方法可以有效快速准确提取水轮发电机组的早期微弱振动特征,实现水轮发电机组的早期故障预警,具有较高的工程应用价值。

融合EEMD-CNN的水电机组磨碰故障声纹识别模型

水电机组声纹信号包含大量反映内部机械状态的有效信息,为了准确提取水电机组磨碰故障声纹特征,提出一种基于聚合经验模态分解(EEMD)与卷积神经网络(CNN)相结合的水电机组磨碰声纹识别模型。首先将水电机组噪声信号进行EEMD分解,得到若干本征模态分量(IMF)和残余分量(Res),然后将得到的IMF和Res与原噪声信号构建融合特征向量;以融合特征向量为输入,碰磨故障输出,正常和碰磨故障试验数据为样本,训练CNN深度学习神经网络,得到水电机组磨碰故障识别器,识别水电机组磨碰故障。结合水机电耦合平台和实际机组试验磨碰数据,验证了所提方法对水电机组碰磨故障识别效果,平均准确率达到99.8%,且该方法识别效果显著优于其他几种识别模型。

基于熵产理论的多级液力透平能量耗散机理分析

液力透平作为一种液体余压能回收装置,在小水电建设和能量回收领域得到广泛应用,但其内部能量损失特性不清。以两级径流式液力透平为研究对象,基于熵产理论和Omega涡识别准则分析了各过流部件内能量耗散机理。结果表明:速度脉动和壁面效应是能量损失的主要来源,设计工况下二者总占比为98.03%。叶轮和导叶是透平内能量耗散的主要区域;小流量工况,叶轮损失占比较高;大流量工况下,导叶损失占比较高。叶轮内的能量损失源于叶片前缘分离涡、吸力面回流涡以及叶片尾缘涡等不稳定流动现象,而相对液流角与叶片进口安放角的不匹配是导致叶轮内产生不稳定流动的根本原因;在导叶和导叶Ⅱ-反导叶中,不同流量下导致其能量耗散的因素基本保持一致,叶片前缘失速涡和流动分离等劣态流动引起的动量交换是导致能量损失的主要原因。环形吸水室内流动的非对称性导致导叶Ⅰ各流道内熵产率分布不均匀,而导叶Ⅱ-反导叶通过正导叶的整流减小了冲击效应,各流道内熵产率分布均匀且高熵区较小。

不同转速时液力透平水力性能的试验和数值模拟研究

为揭示不同转速下液力透平的水力性能,以一台比转速为48的离心泵反转作透平(PAT)为例,通过试验研究了液力透平在不同负载下转速随流量、水头变化规律,采用RNGκ-ε湍流模型在不同转速下进行数值计算,分析了各工况下液力透平的水力性能和内流特性。结果表明,随着转速的逐渐增大,透平高效区变宽,高效点明显向大流量偏移。来流参数(流量、压力)对转速有一定的影响,转速随流量呈线性变化,随水头呈幂函数变化。流量越小,叶轮内压力和速度流线分布均匀性越差,透平效率越低。高转速下,叶轮内流动相对稳定,该现象与透平外特性结果相吻合。该研究对低比转速泵反转液力透平高效、稳定运行具有重要参考意义。

基于SVD-CWT和CNN的水轮发电机转子故障识别

水轮发电机转子振动故障识别是水电站运维的重难点问题,为此提出一种基于转子振动信号的故障识别方法。首先针对发电机转子的非平稳和非线性振动信号,采用奇异值分解(SVD)并结合能量差分谱理论进行降噪预处理;对预处理数据使用连续小波变换(CWT)转换为时频图并形成图像数据集;然后将该图像数据集作为卷积神经网络(CNN)输入,通过CNN多层池化及卷积形成分布式故障特征表达,最终实现发电机转子故障模式识别和分类。经实验验证,该方法准确率达到99.5%以上,能有效识别出发电机转子的故障类型。

考虑碳交易和无功补偿的分布式电源优化配置

“双碳”背景下,在规划分布式电源时引入碳交易和无功补偿机制是实现电力系统低碳化、稳定化的重要手段。为此,提出一种考虑碳交易和无功补偿的分布式电源优化配置方法。首先,引入碳交易机制,建立碳交易成本计算模型。其次,建立考虑碳交易和无功补偿的分布式电源双层优化配置模型,上层以年综合成本为优化目标,决策变量为光伏和燃气轮机接入配电网中的位置及容量;下层以系统网损、电压偏移量、节点电压稳定裕度为优化目标,决策变量为无功补偿电容器在配电网中的位置和容量。最后,通过改进的自适应遗传算法对优化配置模型进行求解。结合IEEE33节点构造的算例进行仿真分析,结果表明,该模型可在保证系统经济性和环保性的基础上有效降低网损,并提高系统电压的稳定性。

空化对尾水管区域驼峰特性影响研究

为了研究水泵水轮机空化对驼峰特性的影响,采用SST k-ω湍流模型和Z-wart空化模型对全流道进行了三维定常数值模拟计算,并分析了不同工况点下尾水管在驼峰区域的水力性能和内部流动状态。研究结果表明,不同工况点下,流量大小会改变尾水管区域液流的流动方向,从而产生偏心涡带使尾水管区域出现不稳定性,造成机组振动和噪声;单相计算结果比空化计算结果更早受到剪切流的影响。来流与壁面射流相互作用产生漩涡,出现回流现象。在速度梯度变化方面,空化计算结果的速度值要比单相的值高,能量损失有所增加。

转轮及导叶流域固液两相流研究

为了研究灯泡贯流式机组内流状态和磨损规律基于欧拉-欧拉法中的Particle非均匀相模型,对不同固相直径、浓度、导叶开度下水轮机固液两相流工况进行计算。结果表明,固相高浓度区集中在转轮域和尾水管进口处,且随着固相直径和浓度的增加而增加。随着固相直径和浓度的增加,导叶域表面压力、固相速度、固相浓度分布均增加,导叶背面更易发生磨损。在转轮域,固相高浓度区分布在叶片正面轮毂处和进水边,叶片背面整体固相浓度分布较高,且表面固相速度、浓度分布与固相直径和入口浓度呈正相关。

泵反转液力透平转速特性研究

为了研究液力透平的转速特性,采用Fluent软件动网格中的SDOF求解器对一台比转速为48的离心泵反转作液力透平进行数值模拟,分析了液力透平在启动过程中转速的变化规律。结果发现:随着转速的增大,透平高效区变宽,高效点明显向大流量偏移。流量越大,透平的飞逸转速就越大,各流量工况下的飞逸转速约为额定转速的1.4倍。在负载系数B_(g)为1.4905时,其负载力矩达到临界值,继续增加负载,叶轮不在工作,此时的水动力矩小于负载力矩。

抽水蓄能机组水轮机工况启动过程内部流场分析

本文采用CFD数值模拟的方法,模拟计算了抽水蓄能机组在水轮机工况启动过程内部流场特征。得到了在活动导叶开启过程中的速度、压力随时间的瞬态分布规律,讨论了蓄能机组开启过程中外特性的变化曲线。结果表明:活动导叶的开启规律可以大体分为五个阶段。活动导叶的开启规律是先缓慢开启,然后以较快的速度关闭,最后再保持到空载的开度,从第四阶段,导叶再逐渐打开直到额定开度。转轮扭矩和机组流量呈现出先增大后减小的趋势,当导叶逐渐打开时,转轮扭矩和机组流量再逐渐上升。本文为研究蓄能机组水轮机工况下启动过程的内部流动变化提供了参考依据,同时对提高水轮机工况的启动稳定性具有重要意义。

水电机组轴系-调速耦合系统动态特性分析

水电机组轴系-调速耦合系统动态特性尚未揭示,制约机组调节优化控制。为此,建立了水电机组不同运行模式轴系-调速耦合系统非线性数学模型,研究分析了耦合系统的非线性动态响应特性。首先,采用Hopf分岔理论分析调速系统稳定域和分岔特性。进一步,仿真分析机组不同运行模式轴系-调速耦合系统的时频动态响应特性。结果表明:机组孤网和并网运行调速系统均存在超临界Hopf分岔,机组并网模式调速器参数稳定域较孤网模式增大。机组并网模式调速系统机组、电网频率动态响应存在多频特性,轴系振动会引发调压室水位动态响应超超低频振荡。并网与孤网模式相比并网模式系统动态响应超调量增大,调节时间缩短。机组孤网和并网运行轴系振动均为多频拟周期振动,但孤网模式轴系振动特性更复杂。

基于集合经验模态分解和指数能量法的水泵水轮机尾水管压力脉动信号特征提取

提取水泵水轮机尾水管压力脉动信号中的动态特征信息,准确识别涡带强度,是近年来水泵水轮机工程领域的研究重点。本文基于集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)和模态指数能量法,对某水泵水轮机发电工况不同负荷下的尾水管压力脉动信号进行特征提取,得到如下结论。首先,基于EEMD的模态指数能量能够有效地反映信号中的能量分布规律。其次,在涡带增强过程中,基于EEMD的最大模态指数能量不断升高,表明尾水管内的流动状况变得更加复杂,涡带特征信息也更加丰富。最后,使用最大与平均指数能量构建的特征向量能够准确反映不同的尾水管涡带强度,并且能够作为智能分类器的输入特征向量,有利于后续进一步的识别与诊断,具有重要的工程意义。

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。

水斗式水轮机基准斗安放位置对水斗性能影响研究

常规水斗式水轮机在设计过程中主要依据比转速、水头等参数,结合水轮机型谱、经验公式进行选型设计,在设计过程中未对基准水斗安放位置进行限制。本文通过对水斗式水轮机的选型过程进行分析,发现基准水斗不同安放位置对水斗性能具有重要影响,应在设计中予以考虑。采用ANSYS CFX流体仿真软件分析表明:水斗分水刃顶点、圆心连线与水平轴夹角的改变将引起转轮扭矩的变化,增加转轮扭矩的波动程度,使水斗内流态、水斗表面压力场偏离原始水斗,易造成切水边工作面压力降低引起局部脱流,水斗背面附壁效应增强引起水斗局部空化。该研究结果可为大型水斗式水轮机选型设计提供理论指导,提升冲击式水轮机设计水平。