水泵水輪機(jī)“S”特性區(qū)流動(dòng)特性研究.pdf

1、隨著國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隨機(jī)性、間歇性新能源大規(guī)模開發(fā)，對(duì)抽水蓄能電站的發(fā)展提出了更高要求。因此加快抽水蓄能電站的開發(fā)建設(shè)是目前水電行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。
　　水泵水輪機(jī)是抽水蓄能電站中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件，也是抽水蓄能技術(shù)國產(chǎn)化過程中的關(guān)鍵。低比轉(zhuǎn)速單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)在低水頭條件下啟動(dòng)過程中，全特性曲線呈現(xiàn)出明顯的“S”型彎曲。此時(shí)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)復(fù)雜多變，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)空載不穩(wěn)定以及并網(wǎng)困難等現(xiàn)象，這

2、將對(duì)電站的生產(chǎn)造成巨大影響。本論文針對(duì)水泵水輪機(jī)的“S”特性區(qū)域特殊流動(dòng)問題，圍繞機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)特征而展開了相關(guān)研究。
　　以某抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型機(jī)為研究對(duì)象，建立起精確的三維幾何模型，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)全流道數(shù)值模擬。模擬中采用能夠有效地捕捉近壁區(qū)以及遠(yuǎn)壁區(qū)的流動(dòng)特征的 SST k-ω湍流模型，以適應(yīng)“S”特性區(qū)復(fù)雜流動(dòng)的模擬精度要求。通過數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組外特性和內(nèi)特性的精確預(yù)測(cè)。最后，將數(shù)值計(jì)算結(jié)

3、果和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了“S”特性區(qū)內(nèi)不同工況點(diǎn)下全流道內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。具體研究內(nèi)容如下：
　　（1）“S”特性區(qū)是典型的非設(shè)計(jì)工況區(qū)，它包括水輪機(jī)工況、水輪機(jī)制動(dòng)工況和反水泵工況?；谡鏅C(jī)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定數(shù)值模擬工況點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，避免了非設(shè)計(jì)工況下邊界條件難以給定的問題。
　?。?）根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果反算后得到的三個(gè)不同開度下的 n11-Q11曲線與模型試驗(yàn)曲線吻合度較高，說明了幾何模型、數(shù)值模擬方法的可信性和可靠

4、性。
　?。?）從流場(chǎng)的角度出發(fā)，分析了活動(dòng)導(dǎo)葉開度 a0=11mm下各過流部件的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，水泵水輪機(jī)在“S”特性區(qū)運(yùn)行時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間動(dòng)靜交界面附近有一圈高速水環(huán)，雙列葉柵流道、轉(zhuǎn)輪葉片流道內(nèi)存在分布紊亂、無周期性、尺度不等的漩渦結(jié)構(gòu)，阻塞了流道，引起了機(jī)組的水力不穩(wěn)定性，這是“S”特性產(chǎn)生的重要原因之一。
　　（4）通過對(duì)比不同工況下機(jī)組流道內(nèi)的流態(tài)，發(fā)現(xiàn)反水泵工況下的流場(chǎng)最不穩(wěn)定。雙列葉柵流道和轉(zhuǎn)輪葉