不同空化条件下轴流泵反向发电压力脉动特性研究

以南水北调某泵站为模型,对该泵站大型轴流泵反向发电发生空化条件现象进行全流道数值模拟。对反向发电工况下空化现象进行定常与非定常研究,并与试验结果做比较,得出了水泵反向发电时发生不同空化条件下的气泡体积分布规律,并预测了叶片发生空化的发展特性。在反向发电工况下对三个监测面的压力脉动进行研究,得出压力脉动幅值在导叶进口处最小,转轮出口处幅值最大,约为转轮进口处7倍,水流受转轮转动影响严重,主频为转频。不同空化数下转轮前后的压力脉动幅值随着空化系数减小而增大,压力脉动主频不受空化系数影响。空化数越小,叶片受到的径向力减小,轴向力增加,加剧转轮的不稳定性。为确保轴流泵反向发电运行的稳定与高效,应使得装置在较高的空化系数下运行。     

基于CFD的大型立式轴流泵反向发电稳定性能分析

为研究南水北调东线某泵站机组反向发电的稳定性,对流道模型进行了正向反向运行最优工况下的全数值模拟,以研究反向发电工况的压力脉动分布规律。在转轮进出口截面径向周向各设置监测点。计算结果表明,反向发电工况下,转轮前后各监测点压力脉动均高于泵工况下各点。反向发电工况下,受流道进出口的影响,转轮出口压力各点的脉动幅值最大,其值约为转轮进口处2倍,从轮毂到轮缘各点压力脉动逐渐增大。水流受转轮转动影响严重,压力脉动主频为叶频,机组的不稳定增加。     

大型双向轴伸贯流泵水力性能分析

为深入分析轴伸贯流泵装置水力瞬变特性,建立贯流泵全过流系统三维模型,考虑压力沿水深变化进出口边界和重力项影响,采用PISO压力—速度耦合算法进行数值模拟计算,分析不全流道流态、转轮区应力集中及流态情况以及针对转轮出口、出水流道截面不同测点压力脉动时域、频域分析。计算结果表明:全流道流态顺畅,无不良紊乱。叶片应力分布均匀,最大应力出现在叶片压力面进水边处。对于压力脉动,与转轮中心同高处压力幅值最大,截面最上方压力幅值最小。转轮出口及流道出口处压力脉动频率皆为转轮转动频率8倍。     

基于脱体涡模型的竖井贯流式水轮机组压力脉动数值分析

应用基于CFD方法建立的脱体涡模型对某潮汐电站竖井贯流式水轮机组的水力特性开展全流道三维非定常湍流数值模拟,获取不同水头工况下流道内关键位置处测点的压力脉动信息。结果表明:该潮汐竖井贯流式水轮机组流道内压力脉动均含有转频分量,距离转轮越近,转频分量幅值越大;转轮段压力脉动较强,振幅随水头的增加而增大,频率以3倍和6倍转频为主;导叶进水侧和出水流道内压力脉动较弱,且以低频分量为主;水头变化对导叶进水侧压力脉动影响很小;出水流道在设计工况下流态最好,压力脉动最小。     

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。     

水泵水轮机反水泵工况区压力脉动特性分析

为研究水泵水轮机反水泵区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流方法(detached eddy simulation,DES),对水泵水轮机反水泵工况进行了数值模拟。探讨了全流道三维湍流场特性,并与试验结果相对比,分析了水泵水轮机在反水泵工况区压力脉动特性。结果表明,反水泵工况下,转轮与导叶之间和尾水管内的主频均为0.143倍转频,主频幅值占混频幅值比例分别达到12%和34.6%。通过流场分析,发现尾水管锥管段内的螺旋形涡带结构是导致这种低频脉动的主要原因。同常规运行工况相比,反水泵工况区的不稳定流场会导致压力脉动相对幅值的突增,引起机组剧烈的振动,严重影响机组的安全运行。     

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。     

自动滚筒闸门脉动压力特性试验研究

用于多泥沙河流的自动滚筒闸门在自动启闭过程中会因水流脉动压力而产生振动,引起闸体失稳或结构破坏。针对自动滚筒闸门启闭过程中水流边界条件情况,制作了滚筒闸门模型,对不同上游水位、不同开度时水流脉动压力进行了物理模型试验。试验表明,自动滚筒闸门水流脉动压力过程具有呈正态分布的随机平稳特性,闸门脉动压力主频为轴流泵转轮叶片频率,闸体下缘跌坎处旋涡导致水流紊动强度增大而产生0.5 Hz低频脉动压力,低频脉动压力沿闸体迎水面向上游传递,振幅逐渐减小。脉动压力主频幅值与闸下开度正相关,与上游水深负相关,低频脉动压力幅值与闸下开度负相关;过圆筒中心逆时针角度为0°、45°、90°、135°、180°对应的圆筒壁处布设5个测点,水深由28.04 cm至34.04 cm时其脉动压力主频幅值分别减小了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%,闸下开度由0 cm增大到5.0 cm时脉动压力主频幅值增大了139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。     

轴流泵装置模型试验压力脉动特性研究

结合南水北调某轴流泵装置模型试验,研究了泵站机组的压力脉动情况。研究表明：设计工况时,压力脉动的频率脉动相对幅值较小,一旦偏离设计工况,随着扬程的减小,脉动相对幅值增大,叶轮进口处存在比较明显的压力脉动,叶轮出口处压力脉动相对幅值比进口处减小,出水流道处的压力脉动相对幅值比叶轮出口处又有所增加。在小扬程工况下,压力脉动的频率值以叶片通过频率为主;在大扬程工况下,由于泵内湍流强烈的不规则运动,低于1倍叶片通过频率的低频脉动会随着流量的减小幅值越来越大并占据主导地位。     

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。     

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。     

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。     

双吸离心泵吸水室和压水室压力脉动特性试验研究

双吸离心泵压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素之一。采用试验的方法,分别在吸水室和压水室的壁面布置压力脉动传感器,采集各个测试流量下的压力脉动信号,进行混频幅值和频谱分析。结果表明,低于轴频的低频脉动和轴频脉动在吸水室区域占主导地位。在额定流量和大流量工况下,低频脉动频率主要为1/3倍的轴频。在小流量工况下,该低频脉动影响范围显著扩大,幅值明显增大。叶频脉动在隔舌区域非常强烈,是压水室区域的主导脉动成分,沿压水室圆周方向传播并耗散脉动能量。当偏离额定工况时,压水室压力脉动峰峰值显著增加,尤其是在小流量工况,该幅值达到额定工况下相应值的5~6倍。     

混流式水轮机转轮叶片出口水压脉动试验研究

由于混流式水轮机在高水头部分负荷区域运行时内部流态非常复杂,可能会出现叶道涡及尾水管涡带等水力不稳定现象．为了探讨在转轮叶片间存在不同水流状态时叶片出口处的水压脉动情况，专门在JF1055模型水轮机上进行了10个工况、3个测点位置的水压脉动试验研究．试验是在高精度水力机械模型通用试验台上进行的．试验分两步进行，第一步为不带小铜管试验，第二步为带小铜管试验．试验结果表明，紧靠转轮下环叶片出口处的水压脉动幅值约为尾水锥管上常规测点处水压脉动幅值的3～5倍．     

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。     

偏工况下离心泵蜗舌区流场特性研究

基于Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型,对离心泵内部流动进行数值模拟,分析离心泵蜗舌区瞬态流动特性。计算所得扬程和效率与试验结果吻合较好,模拟方法可行。结果表明:不同流量下,蜗舌区压力脉动的主要影响因素是动静干涉作用,压力脉动主频均为叶频及其倍频;小流量时,压力脉动幅值随流量的减小而增加,压力脉动低频段出现一些复杂激励频率,流量降至0. 4Qd时,甚至出现1/5fr(叶轮转频);设计流量时压力脉动最大幅值在蜗舌端处最大,失速状态下在蜗舌靠近叶轮出口处最大,其值约为设计流量时的4. 9倍,是由此处随时间剧烈变化的旋涡引起。     

水泵水轮机内部流态特性及预应力模态分析

为研究抽水蓄能电站中水泵水轮机在不同水头下水轮机工况的稳定性,应用ANSYS Workbench平台进行了全流道数值模拟,研究了水泵水轮机的压力脉动机理并开展预应力模态分析,将模拟结果与试验结果对比,验证其可靠性。计算结果表明：额定水头下水泵水轮机流态较好,水流涡带现象与水压力脉动关联紧密,各部件监测点采集到的压力脉动呈现出一定的周期性;压力脉动的主频多为转频及其倍频,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;预应力下转轮的固有频率与各部件水力激振频率相差较大,因此发生共振的可能性较小。研究结果对水泵水轮机振动诱因分析及提高运行稳定性具有参考价值。     

大流量低扬程水泵无叶区非定常流动特性研究

本文是东方电机为珠江三角洲水资源配置工程的鲤鱼洲和高新沙泵站开展水力开发的部分工作,主要研究水泵在最优工况和大流量工况无叶区的非定常流动特性,为泵站的稳定运行提供依据。非定常计算结果显示,无叶区压力脉动主要受动静干涉影响,脉动幅值较小(最优工况不高于4%,大流量工况不高于7%),因此满足工程稳定运行需求。压力脉动主要频率是叶片通过频率及其倍频(7倍转频及其倍频)。相比于最优工况点,大流量工况点转轮出口的速度沿周向的分布更复杂,因此压力分布也复杂,压力脉动幅值也更大。本文的计算结果与模型试验结果比较吻合,从而说明计算的可靠性。