水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机无叶区压力脉动的幅值和频率特性,总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征,指出了无叶区压力脉动的主频为叶片通过频率。其次,本文应用自由涡环量等于常数原理,通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析,提出了水泵水轮机水轮机工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

某电站水轮机宽负荷高稳定性运行改造研究

在电站改造设计中,为了改善部分负荷的稳定性能,扩大水轮机的稳定运行范围,保证宽负荷稳定运行,采用先进的CFD数值模拟和理论分析相结合的方法,对活动导叶、转轮、锥管进口段等通流部件进行了优化设计及CFD分析计算。研究结果表明:采用扩大导叶分布圆、扩大转轮进出口直径及对转轮叶片和导叶翼型的优化,实现了具有更加宽广的稳定运行范围,改善了高水头部分负荷及低负荷运行的稳定性;改造后转轮的能量、空化、压力脉动和头部脱流等性能优异,符合电站实际运行特点的需要。研究成果可用于水头和比转速接近的其他电站水轮机改造,为电站改造提供了良好的技术储备,应用前景广阔。     

叶道涡危害及机理研究

为弄清混流式水轮机叶道涡是否引起压力脉动及危害、危害机理和程度,本文在模型观测试验的基础上结合电站实际进行了深入研究。本文首先介绍了叶道涡模型试验的方法及结果,结合压力脉动频谱分析及尾水管空化观测结果,指出叶道涡工况出现的频率接近转速频率的压力脉动由叶道涡引起,其频率随单位流量增加而增高,随单位转速增加而降低。叶道涡空腔随水流进入尾水管后,以转轮出口环向流速旋转,空化空腔在转轮叶片出口压力场扰动下产生收缩-膨胀甚至溃灭-生成的循环,衍生出新生压力脉动。叶道涡多发生于低单位转速的低负荷工况及高单位转速的大负荷工况,和水电站实际发生的类转频压力脉动非常一致,其频率覆盖范围也基本重叠,因此可推断类转频压力脉动由叶道涡压力脉动引起。研究还发现,三峡等大型水电站发生过该类型小负荷、类转频强烈压力脉动,由叶道涡引起;天生桥一级、二滩、李家峡等电站发生的转轮叶片出水边裂纹、尾水管锥管进口撕裂等破坏同样由叶道涡压力脉动危害造成。     

张河湾抽蓄电站3号机组异常振动分析与处理

张河湾抽水蓄能电站3号机组在更换水泵水轮机转轮后,进行了一系列的调试试验。在准备甩75%负荷试验的升负荷过程中出现了异常的振动现象,异常振动主要频率成分为202 Hz和196.5 Hz。通过对压力脉动和顶盖振动在时域、频域及时频联合分析后,得出异常振动是转轮叶片出水边的卡门涡频率与转轮固有频率相接近而引发的水力共振现象。后来对叶片出水边进行了修型处理,处理后卡门涡诱发的共振现象消失。     

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。     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。     

混流式水轮机压力脉动模型试验研究

利用模型试验的方法,分别在蜗壳进口、转轮与顶盖间、转轮与活动导叶间、尾水管等位置选取五处测点,在四个特征水头下对某比转速的混流式水轮机进行压力脉动测试,分析其脉动特性,为原型水轮机稳定性研究和部分结构的错频设计提供参考。测试结果表明:小开度区,以蜗壳进口处测点压力脉动幅值最为突出;脉动显著区(部分负荷区)以尾水管处测点D_1、D_2的0.47倍转频的低频脉动最为突出,并向上游传递至蜗壳进口;运行高效率区,各测点所测压力脉动幅值最小,且运行稳定;大开度区,各测点压力脉动幅值随导叶开度的增大呈上升的趋势。此外,偏心的螺旋状涡带相比稳定的柱状涡带更易引发机组振动,需要对此加以重视。     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

万家寨水电厂水轮机转轮裂纹情况分析

万家寨水电厂水轮机转轮在2002年检查发现叶片出现裂纹。针对裂纹情况，从机组运行工况，水轮机的设计、制造、水力特性、力学特性等方面，初步分析裂纹原因为叶片相对单薄，且有应力集中和焊接残余拉应力，在低负荷的高尾水管压力脉动作用力下而产生裂纹。针对裂纹原因，电站采取了划分运行区域，在叶片上冠出口边加三角板，顶盖强迫补气等防治裂纹的措施。     

天生桥一级水电站水轮机振动原因分析

天生桥一级水电站于2000年底全部投产发电以来，4台水轮机均发生了不同程度的振动，对该电站水轮机振动实测数据进行分析发现，由于该电站运行水头变幅大，尾水管压力脉动值相对较高，空化性能不好，从而造成水轮机运行中产生振动。对此，如在水轮机设计时，对此类水头变幅较大的电站水轮机转轮叶片采用负倾角（俗称“X形”）形式，同时，水轮机参数不要选择太高，将会使水轮机在运行中适应性好一些。     

三峡原型水轮机的非定常湍流计算和压力脉动分析

本文对三峡原型混流式水轮机进行了三维非定常湍流计算，得到水轮机的非定常流场，预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动。通过与模型试验预测结果的比较看出，计算能够准确预测水轮机内的压力脉动。分析表明尾水管内涡带和转轮与活动导叶间的动静干扰是产生压力脉动的两个主要脉动源，并在整个水轮机流道内传播。     

隔河岩电站1号水轮机水力稳定性的若干问题研究

根据原型实测动水压力、空化噪声、补气、大轴摆度及水轮机检查等成果,研究了水轮机水力稳定性.成果表明:在168～233 MW负荷区,水轮机存在低频涡带空化,脉动压力、补气、噪声、摆度等大幅度增加,尤其在177 MW附近脉动压力和大轴摆度已达到甚至超过厂商保证值;在所研究负荷范围内,水轮机都存在高频激波空化噪声,主要发生在转轮叶片及缝隙中,在满负荷时最为明显,研究发现已出现空蚀前兆.     

大型水轮机不稳定流体与结构耦合特性研究Ⅱ：结构动应力与疲劳可靠性分析

水轮机疲劳寿命问题直接关系到电站安全和工程效益的发挥。本文以国内某大型水电站安装的混流式水轮机为研究对象,通过引入新的耦合界面模型,实现了不稳定压力场与结构场的耦合特性分析。耦合计算采用有限元方法,得到了转轮在不同工况下的压力脉动载荷的时间历程。通过雨流计数法处理,获得了应力幅值及均值的概率密度函数。依据材料疲劳特性预测了转轮叶片的寿命。文中还分析了X形叶片转轮在运行稳定性方面所具有的特征。所取得的研究结果为大型水轮机的稳定运行和优化设计提供了依据。     

三峡电站混流式水轮机水力稳定性研究

三峡电站水轮机是目前世界上运行水头变幅最大的巨型混流式水轮机之一 ,其运行稳定性是设计、研究、制造和使用部门关注的首要课题。在左岸电站机组招标文件和合同执行过程中 ,明确提出水力稳定性是首要考虑的问题 ,并具体规定了模型和真机的稳定性指标。在水轮机模型验收试验中 ,发现一些现象与众所周知的部分负荷的压力脉动不同 ,表现为在运行水头范围内存在压力脉动峰值带 ,频率较高 ,且从蜗壳进口至尾水管的几个部位均同时出现较大的压力脉动幅值。根据模型试验的结果 ,分析了空蚀系数和补气对压力脉动的影响 ,提出了改善三峡电站水轮机水力稳定性的几点措施     

抽水蓄能电站多倍叶频强振来源研究

抽水蓄能电站机组和厂房振动问题非常突出,其振动频率多为2或3倍水泵水轮机转轮叶片通过频率,该频率的产生机理一直没有明确可信答案,强振问题迟迟得不到解决。为弄清该问题,在对国内十余个抽水蓄能电站运行稳定性调研的基础上,对电站强振频率、波形与水泵水轮机导叶前压力脉动频率、波形进行了对比研究,发现了二者之间的相同点及脉络联系,发现产生于导叶前的空化衍生压力脉动是引起厂房振动的根源。研究从无叶区压力脉动的幅值及频率特性入手,总结提出了无叶区压力脉动的传播规律,指出多倍叶频压力脉动并非直接源自转轮,而是发源于导叶前的空化衍生压力脉动。无叶区压力脉动主要以压力波方式由转轮向上游传播,在经过导叶进水边因脱流而产生的旋涡空腔时,使空腔产生膨胀-收缩循环变化,产生空化衍生压力脉动。每一个导叶前旋涡空腔产生一个叶频空化衍生压力脉动,所有散布在转轮周围的导叶前压力脉动会在导叶前测点叠加成一周期长短不一的压力脉动,其分析频率为多倍叶频,该倍数通常为转轮叶道对导叶的整数覆盖系数。这说明,没有导叶、固定导叶区域空化空腔的存在,就没有多倍叶频空化衍生压力脉动及机组和厂房强振。     

三峡水轮机的三维非定常湍流计算和压力脉动分析

本对三峡混流式水轮机全流道进行了三维非定常湍流计算，得到水轮机的非定常流场，预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动。通过与模型试验结果的比较看出，计算能够比较准确的预测尾水管内压力脉动。同时，分析了尾水管内非定常涡带产生和传播的原理。并通过对水轮机内各测点压力脉动的分析表明，尾水管内涡带和转轮与活动导叶间的动静干扰是产生压力脉动的两个主要脉动源，在整个水轮机流道内传播。     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

水泵水轮机驼峰区无叶区压力脉动特性CFD研究

水泵水轮机无叶区的压力脉动非常重要,特别是驼峰区的压力脉动特性。本文基于三维非定常全流道计算,研究了导叶开度为20°工况下的驼峰区压力脉动特性。计算结果显示,驼峰区的压力脉动幅值非常大,达到了30%,这主要是由0.42倍的转动频率引起的,除了0.42倍转频外,驼峰区的压力脉动还有叶片通过频率及其倍频;压力脉动沿圆周方向不均匀分布,这可能与无叶区压力场的不均匀性和转轮内速度梯度在不同流道内的分布有关。