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。

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。

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。

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。

不同抽水转发电模式下抽蓄机组稳定性参数对比

新型电力系统建设要求缩短抽水蓄能机组的快速响应时间。以具体电站机组为例,研究了正常与快速抽水转发电模式下监控流程的主要差异和机组稳定参数的变化规律。在此基础上,引入反时限振动评价方法对两种模式下的振动峰峰值进行计算,评估了转换模式对机组的影响;采用频谱分析方法对无叶区压力脉动进行分析,发现了低转速下无叶区存在水力共振现象,并揭示了共振幅值、频率与转速的相关性。研究结果表明:抽水转发电快速流程优于正常流程,快速转换模式下的水力制动方式较正常转换模式下的电气制动加机械制动方式流程时间由438 s缩短至220 s,显著提高工况转换效率;在振动对机组损伤方面,14个振动、摆度监测点中13个监测点证明快速转换模式有利于延长机组预期寿命;同时,快速转换模式有利于机组快速通过低转速下无叶区产生的水力共振区,将水力共振时间由15 s缩减至5 s,共振转速区间压缩超过60%。

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。

黑麋峰抽水蓄能电站水泵水轮机改造前后性能对比

黑麋峰抽水蓄能电站4号机组为引进国外技术、国内生产制造的典型水泵水轮发电机组。在运行过程中,始终存在水轮机工况并网难、甩负荷过程中机组存在强烈压力脉动等问题。经过多轮水力优化,4号机组转轮由原来的9叶片结构改为6+6长短叶片结构,为我国自主研发且国内外首次应用的全新转轮。本文通过对改造前后机组各方面性能的对比,对黑麋峰全新4号机组运行稳定性能进行总结,以期为今后我国抽水蓄能电站机组的改造工作提供参考和借鉴。

基于KD-Tree与DBSCAN的水电机组状态监测数据清洗方法

针对水电机组状态监测数据量逐步增大,数据质量差的问题,提出了一种基于改进K维树(K-Dimensional Tree,KD-Tree)与基于密度的空间聚类算法(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)的水电机组状态监测数据清洗方法,首先对输入数据建立KD-Tree,再使用DBSCAN在最近邻样本上扫描完成聚类,聚类结束以后会分离出噪声点,将噪声点去除即可完成对水电机组状态监测数据清洗。选取某水电站状态监测系统上导摆度数据1 088条,再以相同时间间隔插入随机数据100条,通过算例与常规DBScan、K-means、OCSVM算法对比聚类性能与时间性能,所提出的方法识别正确率最高,为97.78%,消耗时间最少,为0.007 732 s,数据清洗效果最优,并可以大幅减少计算时间。

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。

抽水蓄能机组调相压水控制系统分析

调相压水是抽水蓄能机组抽水调相工况中一个重要的过渡过程,尾水水位测量、压气和排气控制在调相压水过程中起到至关重要的作用。鉴于此,介绍了目前抽水蓄能机组尾水水位测量和压气、回水控制的硬件配置以及控制逻辑典型设计,可为后期抽水蓄能电站调相压水控制系统的选型配置和控制策略提供一定的指导。

活动导叶头部圆半径对水泵水轮机飞逸特性的影响研究

以中国某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机为研究对象,通过改进活动导叶头部圆半径r,基于Realizable k-ε湍流模型,分析改进活动导叶头部圆半径r对水泵水轮机飞逸特性的影响,充分发挥水泵水轮机在抽水蓄能中的核心作用。结果表明:减小头部圆半径r至(r-0.313)mm,对机组“S”特性存在较佳的改善效果;飞逸工况下无叶区的高速水环逐渐减弱。流体由活动导叶进入转轮叶片流道的过程中,流体的速度由活动导叶出口附近逐渐增大,受高速水环的影响,在无叶区达到最大,随后速度逐渐减小进入转轮,保持在某个较大速度持续流动;飞逸工况下1~5流道转轮叶片进口端旋涡沿着流道逐渐扁平且向转轮叶片后移扩散。转轮叶片进口端旋涡附近压强变化整体呈下降趋势,在叶片进口端出现峰值,转轮叶片进口端旋涡附近压强大小随旋涡位移以及强度而变化;飞逸工况下尾水管的直锥管段分布着大量涡带,且涡带沿着弯肘段逐渐后移到扩散段。回流主要集中在尾水管扩散段边壁附近,在距离转轮中轴线300~500 mm处,回流逐渐减少。

基于熵产-涡量的水泵水轮机转轮能量损失特性

为探究水泵水轮机组因频繁改动活动导叶开度而引起的机组不稳定运行机理,基于熵产理论与涡量理论,采用数值模拟与试验相结合的方法,针对水泵水轮机小流量、高效率和大流量这3种工况开展能量损失特性分析.结果表明:随着活动导叶开度的增加,转轮区域总涡量值增大,高涡量值分布区域及主流区熵产率先减小后增大,壁面熵产率增大;能量损失与流态紊乱程度呈正相关,转轮区域的旋涡流、冲击、摩擦等现象是引起能量损失的重要原因.对相同工况模型进行试验,其结果与数值模拟结果类似,此研究结果为水泵水轮机的设计与效率提升提供了重要依据.

基于经验小波变换和卷积神经网络的水泵水轮机无叶区流态特征提取及识别研究

监测和识别原型水泵水轮机无叶区的流动状态,对于保证抽水蓄能电站的运行安全性和稳定性有非常重要的意义。本文提出了一种基于经验小波变换、散布熵和卷积神经网络原理的流态特征提取和识别方法,首先使用经验小波变换对压力脉动信号进行分解,然后通过计算各分量的散布熵提取流态相关特征,最后通过利用特征-标签对训练卷积神经网络得到的智能识别模型,实现了无叶区流态识别。利用从国内某水泵水轮机采集到的发电、抽水和空转工况下实测压力脉动信号对该方法进行了测试,测试的平均准确率达到了94.84%,证明了该方法的有效性。

60MW轴流式机组大轴法兰摆度偏大原因分析

振动、摆度值是反映机组运行稳定性的重要指标,机组大部分故障都能通过振动、摆度的幅值大小、变化趋势反映出来。为了分析某60MW立式轴流式机组联轴法兰处摆度偏大的原因,开展了顶转子、变转速、变励磁、变负荷等稳定性试验。通过试验数据和理论分析,初步查明了联轴法兰摆度偏大与不平衡质量、磁拉力、水力不平衡等因素相关,为机组后期的检修、技术改造奠定了基础。

导叶翼型优化对水泵水轮机“S”特性的影响

为了改善水泵水轮机“S”特性,本文以某水泵水轮机模型机为研究对象,采用SST k-ω湍流模型开展水泵水轮机全流道三维数值计算。通过优化活动导叶翼型,得出n 11-Q 11模拟曲线和机组“S”特性改善情况,并对优化活动导叶翼型后的机组的无叶区进行了压力脉动分析。结果表明:优化活动导叶翼型对机组的“S”特性存在一定改善效果;翼型优化后机组的效率虽然有小幅度下降,但是整体效率依然保持在90%以上;无叶区压力脉动主要是由活动导叶区域出流,转轮叶片工作面发生冲击导致的分流以及转轮叶片与活动导叶组成的动静叶栅干涉效应引起的。改型后的活动导叶降低了无叶区的压力脉动幅值,在一定程度上提升了水泵水轮机的安全系数。

抽水蓄能电站最大扬程与最小水头比值探讨

为了减少抽水蓄能电站水泵水轮机设计选型时的困惑,解决参数相近的不同项目最大扬程与最小水头比值选择时较大的差别,增加机组安全稳定运行的基础条件,通过对抽蓄电站定转速混流式水泵水轮机最大扬程与最小水头比值分析研究,总结设计单位和生产厂商的经验数据,结合抽水蓄能行业发展趋势,提出了常用的比值范围供行业使用。通过最大扬程与最小水头比值限值的提出,减少不同专业在蓄能项目前期建设条件选择上的分岐,为抽水蓄能机组的长期安全稳定运行创造条件。

基于熵产理论的水泵水轮机泵模式水力损失分布

基于熵产理论,研究原型水泵水轮机在泵模式不同流量工况下的水力损失空间分布及不稳定流动诱导的主要水力损失存在的位置和变化。结果表明:随着流量增加,总熵产与压差法水力损失变化一致,先显著减小后逐渐增大。间接熵产、直接熵产和壁面熵产与总熵产的变化趋势一致,且间接熵产和直接熵产占主导地位。间接熵产和直接熵产的分布与湍动能的分布基本一致,但直接熵产更靠近主涡区,而间接熵产在流场中具有更宽的分布范围。水泵水轮机流动区域内的水力损失位置强烈依赖于流动条件。小流量工况下高水力损失主要源于无叶区的高速环流、活动导叶区的旋涡以及尾水管弯肘段和直锥段的壁面分离,而蜗壳的水力损失较小。最优工况下的水力损失较小,主要源于叶片尾迹和少数固定导叶流道的旋涡。大流量工况下高水力损失主要源于水流对活动导叶的冲击和不稳定流动在固定导叶区的扩散,以及蜗壳进口处周向间隔分布的旋涡和高速流动,而尾水管的水力损失极小。