关于混流式水轮机高负荷区压力脉动陡增问题解决方法的研究

近几年陆续出现一些大容量混流式水轮机存在高负荷区压力脉动陡增问题,引发机组顶盖振动超标,出力无法达到设计值,严重影响水电站安全生产和经济运行。本文分析了高负荷区压力脉动陡增原因,提出了解决办法,通过CFD计算和转轮模型试验验证,转轮出口叶片修型能改善水轮机高负荷区压力脉动,该方法在糯扎渡电站真机上实施后,高负荷区尾水进口压力脉动和顶盖垂直振动明显降低,为解决混流式水轮机高负荷区压力脉动陡增问题提供了参考。

混流式水轮机偏负荷工况内流场及压力脉动分析

为探究水光蓄互补联合发电系统中比转数混流式水轮机在偏负荷工况下机组内部流态变化和稳定性影响,在额定水头和最大水头下对国内某电站3种大开度工况采用SST k-ω湍流模型对机组进行稳态与瞬态数值计算和分析.结果表明:偏负荷工况下的转轮内部流态稳定,转轮出口与下环流道内出现流线紊乱区.尾水管内存在圆柱形的空腔涡带,涡带衍生于转轮泄水锥,并在尾水管内直锥段发展.混流式水轮机无叶区在偏负荷工况下的压力脉动主频为叶频,尾水管内部主要为幅值接近的低频脉动.研究结果揭示了水光蓄互补联合发电系统中混流式水轮机在偏负荷工况下的内部流场变化、尾水管涡带发展规律和机组压力脉动成因,为拓宽水轮机运行区间提供了建设性意见.

混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动试验研究

通过三峡电厂升水位试验数据分析了混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动主频的变化趋势,指出了目前两种用于计算尾水管涡带频率公式的适用性不足。试验数据表明,定水头下尾水管压力脉动主频在部分负荷低负荷段随着水轮机流量的增大有减小的趋势,在部分负荷高负荷段中呈"V"型分布,这种"V"型分布与尾水管固有频率相关;定导叶开度情况下,部分负荷下尾水管压力脉动主频与水头没有必然联系;试验同时表明,部分负荷下尾水管压力脉动对机组稳定性参数具有直接影响,是引起机组稳定性参数变化的主要原因。

降低混流式水轮机高部分负荷压力脉动方法探讨

针对混流式模型水轮机研发中有关降低高部分负荷压力脉动的方法进行了探讨。通过不同转轮多个方案的模型试验和深入比较,掌握了不同形式泄水锥对混流式水轮机高部分负荷压力脉动的影响规律以及不同补气位置对长泄水锥混流式水轮机转轮压力脉动的影响,为电站运行中降低高部分负荷压力脉动提供了科学依据。

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。

瀑布沟水电站高负荷区异常压力脉动分析

瀑布沟水电站2号和4号水轮机相继发现在接近额定出力时,其尾水管、无叶区、蜗壳进口有异常的压力脉动,且幅值较大,限制了机组运行在高负荷区时的实际出力,同时也严重影响到了电站的正常电力生产。为此,对尾水管压力脉动的幅值和频谱开展了分析,根据分析结果,确定了该异常压力脉动的共振特性。在此基础上,对引水管路和尾水管中的水、气两相流体的固有频率进行了测试和计算。计算结果进一步确定了共振主体为引水管路的水体,而引起该压力脉动的激励源则为尾水管的同步压力脉动。最后针对计算结果探讨并提出了解决这种异常压力脉动不利影响的措施。实践表明:制定的措施是适宜和有效的。研究成果可为今后类似问题的解决提供参考与借鉴。

高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片非同步振动的实验研究

为揭示高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片高振幅值非同步振动的发展过程及其产生机理,本文从实验角度出发,详细揭示了一种由旋转不稳定涡激发转子叶片非同步振动瞬态过程中流体主动作用至被动响应的变化趋势。研究结果表明,在叶片振动触发前,第一级转子叶尖分离涡扰动已存在,但其频率与叶片固有频率未耦合。随级负荷进一步升高,分离涡频率小幅波动,诱发其与叶片一阶固有频率耦合,激发转子叶片高振幅值振动。气流扰动周向模态数由流体主动作用时的高模态发展为被动响应时的低模态。

水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动和转轮受力

水泵水轮机甩负荷过渡过程中,压力脉动和转轮受力剧烈变化,导致事故频发。本文采用动网格技术对某模型水泵水轮机的甩负荷过渡过程进行全流道三维数值模拟,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化特性及其演变的内流机理。结果表明:甩负荷过渡过程中,转轮进口回流的出现和发展显著增加了无叶区内流体的湍动能,使导叶与转轮之间的动静干涉明显增强,导致压力脉动幅值急剧上升,其最大值达到初始阶段的5倍以上;与此同时,转轮进口局部产生的回流使无叶区内的湍动能和压力脉动强度在高度方向不均匀分布;此外,转轮进口回流发展使叶道内流态分布失衡,产生低频旋转失速,导致转轮叶片所受力矩和径向力的波动幅值快速上升,最大波动幅值分别达到初始阶段的10倍和60倍,而尾水管涡带对其的影响处于次要地位。

脉动真空压力蒸气灭菌器在高海拔地区灭菌效果监测

灭菌过程监测包括了常规监测和参数放行。在认证和参数放行的灭菌保障体系中,对物品灭菌合格的宣称是基于整个过程的物理数据的达到,而不是对灭菌物品进行测试或通过灭菌后生物监测的结果。该体系包括了国际标准和规范（ISO）,我们于2011-03～09在海拔1 500 m处进行了脉动真空压力蒸气灭菌监测,旨在了解脉动真空压力蒸气灭菌器在高海拔地区的灭菌效果,并在此基础上建立标准化检测程序,消除危及灭菌器性能和安全的隐患。

贯流式水轮机增负荷过程的动态特性研究

新型电力系统结构下的卧式低水头贯流式电站,由于负荷的频繁变化所引起的水力冲击与水体重力引起的不平衡水力因素联合作用使得变负荷运行状态更加恶劣。为改善贯流式水轮机变负荷过程中动态品质,在考虑自由液面和水体重力的情况下,基于动网格技术对增负荷过程中内部流场流动特征和振动特性进行数值模拟。研究发现:受自由液面和水体重力影响,除机组内的压力分布均呈现出由顶部到底部压力逐渐增大的规律;增负荷过程中,随着桨叶角度的增大,来流撞击位置向吸力面偏移,头部低压区逐渐向压力面偏移,叶片吸力面的低压区面积增加;转轮区域由于尾水管的0.1 f_(n)低频压力脉动和转轮的旋转引起的3 f_(n)高频压力脉动的共同作用,成为贯流式水轮机的主要振动区域。

混流式水轮机叶道空化涡诱发高振幅压力脉动特性

混流式水轮机部分负荷叶道空化涡不稳定特性已成为制约水电与其他可再生能源多能互补发展、扩大水轮机稳定运行范围急需研究的技术难题。该研究以HL702低水头混流式模型水轮机为研究对象,通过非稳态数值模拟技术及涡流可视化试验,对部分负荷工况下的叶道空化涡不稳定涡流演化及压力脉动特性展开研究。结果表明,叶道空化涡在水轮机转轮内为一个体积周期性变化的动态过程,其涡结构脉动主频为转轮转频的1.1倍。叶道空化涡诱发时,水轮机转轮叶片压力面和吸力面均捕捉到与涡结构频率相同的压力脉动信号。叶道空化涡体积的变化主要发生在转轮叶片背面出水边与下环交界附近,引起压力脉动幅值的局部放大。进一步分析发现,叶道空化涡发生工况下水轮机内部的瞬时压力脉动信号与空泡体积加速度成正比,表明涡流演化是引起压力脉动幅值上升的重要原因。该研究进一步阐明了部分负荷工况叶道空化涡的演化特征,揭示了涡流诱发不稳定高振幅压力脉动的内在机制。

抽蓄机组甩负荷过程压力脉动及流动噪声仿真

为了研究水泵水轮机发电模式下甩负荷过渡过程压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响,以国内某抽水蓄能电站机组为研究对象,基于网格壁面滑移技术与分离涡湍流模型,通过ANSYS软件对瞬态流场进行数值模拟计算,并将所得流场信号作为声场源在LMS软件中进一步开展流动诱导噪声的仿真.结果表明因2个无叶区流态分别受动静干涉(固定导叶与活动导叶间)与动动干涉(活动导叶与转轮间)影响,导叶两侧压力变化趋势完全不同.转轮流道内压力脉动主频位置在叶频St为0.6763处,水泵水轮机内声场噪声分布呈现明显的偶极子特性,小流量(0.2QBEP以下)时内场声压变化相对剧烈,最大声压值高达130.00 dB,最小声压为9.67 dB.不同时刻外声场声压级表现出极为相似的波动性,整体趋势表现为声源强度随流量减小而增加,但是流量变化对噪声指向性分布形式并无影响,说明对水泵水轮机内部压力脉动情况改善有助于降低流动诱导噪声水平.

大负荷涡带压力脉动机理研究及其在周宁水电站的应用

与原模型试验相结合,以2个阶段模型试验为重点,采用压力脉动测量和尾水管涡带空化状况观测拍照相结合的方式,对周宁水电站大负荷工况压力脉动幅值上升和鼓形涡空化空腔直径增大之间的密切关系进行研究,结果显示,鼓形涡的危害方式是空腔的膨胀-收缩及空化空腔内液位的上下窜动。就鼓形涡压力脉动产生机理进行了初步探讨,并结合周宁水电站实际运行情况,分析了长短叶片在周宁水电站应用的利弊。

混流式水轮机大负荷压力脉动模型试验研究

混流式水轮机涡带压力脉动是引起水电机组剧烈振动的主要水力因素之一,其关注重点是低负荷偏心涡带,对大负荷直涡则研究较少。但是,在部分水电站大负荷压力脉动很严重,有的甚至引起尾水管底板撕裂、转轮掉块等问题,严重影响电站运行安全。本文重点介绍了某混流式模型水轮机进行大负荷压力脉动试验的方法及结果。试验过程中,在测量压力脉动的同时观测记录了尾水管内流态,并选择部分大负荷工况进行了变空化系数试验。试验发现,在混流式水轮机大负荷工况,尾水管涡带均为直涡;单位流量越大,涡带空腔直径越大,压力脉动幅值越大;单位转速越高,涡带空腔直径越小,压力脉动幅值却越大;最大幅值多发生在内顶盖测点。随空化系数降低,涡带空腔直径增大,压力脉动幅值增加,低空化系数的峰值可达能量工况幅值的10多倍。本文还应用空化空腔危害水力机械稳定性理论及自由涡原理分析了尾水管涡带在大负荷工况均为直涡的原理,并结合观测结果论证分析了叶道涡对高单位转速、大流量工况压力脉动的影响,指出直涡和叶道涡是造成大负荷压力脉动幅值攀升的两个关键因素。

高速部分流泵整机非定常流动数值模拟

为研究高速部分流泵内部由于叶轮和蜗壳之间动静干涉作用引起的压力脉动的机理,采用计算流体动力学软件Fluent中的滑移网格技术,对该泵在3种工况下(0.5Q0,1.0Q0,1.5Q0)的整机进行非定常数值模拟,捕捉到3个不同时刻不同流量下的蜗壳区中间截面的静压分布图,并对蜗壳内壁面设置的9个监测点速度以及静压进行快速傅里叶变换,得到压力脉动的时域和频域图.模拟结果表明:在相同流量下,各流道内的静压随着时间改变不大;在同一时刻,随着流量的增大静压变大;压力脉动呈周期性变化,且随着流量的增大,幅值也增大;在0.5Q0的工况时,监测点4的幅值最大且振动最为剧烈;在设计工况和大流量时,监测点5的压力幅值最大,且各个监测点频域幅值随流量的增大而逐渐增大,这表明流量对高速部分流泵的振动有极大的影响,且喷嘴区域的振动最为严重.

基于新型ICP脉动压力传感器的信号调理电路设计与实现

在飞行器地面试验中，新型ICP脉动压力传感器常用来测量飞行器与发射筒之间的关键位置表面由于空气脉动产生的脉动压力参数；ICP脉动压力传感器工作时需要恒流源供电，同时其输出信号不能满足大多数模数转换芯片对于输入电压的要求，针对以上问题，提出了一种基于新型ICP脉动压力传感器的信号调理电路，并详细介绍了电源电路、脉动压力信号调理电路等模块的设计原理和方法；测试结果表明该设计能够满足新型ICP脉动压力传感器3．4mA恒流源供电需求，并且能准确地将其输出电压信号调理为0．366～2．13V，符合AD7667转换范围要求，同时能有效地滤除信号中混入的9．6kHz以上的高频噪声以及椭圆型高阶低通滤波器自身引入的开关噪声；该信号调理电路可靠性高，已经成功应用于飞行器地面发射试验中。

超临界机组高压力低负荷运行工况跳闸原因分析及预防

超临界机组带负荷整定安全门期间,因汽动给水泵运行失常,造成省煤器入口流量低导致机组跳闸,将协调控制方式改为手动控制可避免此类故障发生。同时对汽动给水泵小汽轮机供汽汽源切换时机提出合理的建议。

高水头混流式水轮机减负荷瞬态流动特性研究

为了平衡和补偿间歇性可再生能源不定时并网对电网的不利冲击,水轮机不得不频繁地经历减负荷瞬态工况转换过程,从而诱发水轮机内部不稳定的压力脉动及涡流结构。基于多面体网格及动网格技术,开展了高水头混流式水轮机导叶关闭减负荷过程水轮机特征参数响应、压力脉动及涡流演化特性的数值模拟工作。研究发现,采用压力边界条件获得的水轮机水头与试验结果吻合较好,流量结果可信度高。负荷变化过程中,无叶区压力脉动相对变化趋势与导叶运动规律一致,且幅值变化不大。导叶开始及停止运动,引起尾水管内的压力信号发生突变,并逐渐形成低频周期性压力脉动。涡带运动诱发的不稳定压力脉动,是转轮轴向水推力形成的主要原因。在导叶闭合过程中,强度较小的轴对称涡带首先沿轴向和径向拉伸,随后沿轴向收缩。导叶停止运动进入部分负荷工况,直涡结构进一步收缩,演变为细长状双螺旋结构,最后双螺旋涡结构合并成强度较高的单一螺旋状涡带。此外,水轮机负荷的减小使尾水管内出现回流,漩涡运动等不稳定现象。

抽水蓄能机组甩负荷时无叶区压力幅值特性

甩负荷是抽水蓄能机组的正常设计工况,此时无叶区经历过流系统最为严重的压力脉动,对机组运行稳定产生深远影响。长期以来,对无叶区压力及其脉动研究主要集中于数值模拟、模型观测,对真机试验研究少。以某抽水蓄能电站6台机组单机甩额定负荷时无叶区压力信号为分析对象,基于Savitzky-Golay滤波器对压力信号进行处理,分离出了趋势压力与脉动压力,阐释了趋势压力与脉动压力的主要影响因素,并指明了亟须解决的问题。研究表明:甩负荷过程中无叶区趋势压力主要受转速影响,与转速的相关系数在0.99左右;脉动压力峰峰值受动静干涉、旋转失速等影响,是额定负荷稳定运行时的7~22倍,显著高于数值模拟结果。

浑水脉动压力试验研究

在对量测技术进行研究和改进的基础上，对不同流态区清水和浑水脉动压力进行了系统的对比观测。试验结果表明：高含沙浑水不再属牛顿体而变为宾汉体，浑水的紊流结构发生变化。浑水脉动压力均方根和强度系数随含沙量增加呈直线关系增大，以浑水水柱表示的脉动压力均方根和强度系数，浑水和清水没有区别。水流含沙后，浑水紊流结构的变化，并没有改变紊流结构中旋涡含能分布规律，紊动能仍然集中在大、中尺度旋涡中，所以，浑水和清水脉动压力功率谱看不出任何区别。