水輪機(jī)作為水電能源開發(fā)的核心機(jī)械裝備,其性能的優(yōu)劣決定了水電能源的開發(fā)利用率。在現(xiàn)代科技進(jìn)步的推動(dòng)下,水輪機(jī)技術(shù)也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。我國(guó)水輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了引進(jìn)、吸收、消化和再創(chuàng)造的過(guò)程,特別是近20年的快速發(fā)展使我國(guó)水輪機(jī)技術(shù)總體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。本文在全面綜合國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上,以近20年來(lái)水輪機(jī)技術(shù)領(lǐng)域所取得的主要研究進(jìn)展為重點(diǎn),分水輪機(jī)水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、水輪機(jī)過(guò)流部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及新型水輪機(jī)研制三部分對(duì)水輪機(jī)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了綜述,探討了部分研究領(lǐng)域中存在的問題,并對(duì)水輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)和展望。 

【文章來(lái)源】：水力發(fā)電學(xué)報(bào). 2020,39(08)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

軸流式水輪機(jī)中的間隙空化Fig.1TipclearancecavitationinKaplanturbines

上述三種空化現(xiàn)象外，水輪機(jī)內(nèi)部最后一種空化現(xiàn)象是空腔空化，空腔空化是反擊式水輪機(jī)特有的一種旋渦型空化現(xiàn)象，也是危害最大的一種空化現(xiàn)象。圖1軸流式水輪機(jī)中的間隙空化Fig.1TipclearancecavitationinKaplanturbines水輪機(jī)內(nèi)部的空腔空化通常出現(xiàn)在兩個(gè)部位，一個(gè)是尾水管，一個(gè)是混流式轉(zhuǎn)輪葉片通道內(nèi)。尾水管內(nèi)的空腔空化也稱尾水管空腔渦帶，常見于混流式水輪機(jī)。Susan等[18-19]對(duì)尾水管渦帶開展了較為細(xì)致的研究，認(rèn)為渦帶的直徑大小取決于電站的空化數(shù)，而渦帶的幾何形狀取決于運(yùn)行工況（見圖2），在部分負(fù)荷工況下渦帶呈現(xiàn)螺旋型，滿負(fù)荷時(shí)為圓柱形。（a）部分負(fù)荷（b）全負(fù)荷圖2不同運(yùn)行工況的渦帶Fig.2Vortexropesatdifferentoperationzones尾水管渦帶所引發(fā)的振動(dòng)、噪聲是危害水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，所以很多學(xué)者針對(duì)該空化現(xiàn)象的形成機(jī)理及發(fā)展規(guī)律開展了研究。Iliescu等[20]、Gouin等[21]和Lai等[22]采用粒子圖像測(cè)速、多普勒激光測(cè)速等多種內(nèi)流場(chǎng)速度和壓力量化測(cè)試方法研究了尾水管內(nèi)周期速度分類及空腔渦帶尺寸的時(shí)變規(guī)律。研究表明，渦帶直徑直接受電站空化數(shù)的影響，同時(shí)渦帶核心在部分負(fù)荷的工況下存在反常的向下游的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)。由于水輪機(jī)試驗(yàn)昂貴，因此更多的學(xué)者是通過(guò)CFD技術(shù)來(lái)捕捉空腔空化條件下尾水管內(nèi)部的速度分布和壓力脈動(dòng)頻幅特性。其中Susan等[23]和Foroutan等[24]更是寄希望于建立二維軸對(duì)稱的渦帶計(jì)算模型以簡(jiǎn)化渦帶全三維模擬的復(fù)雜性，但他們提出的二維軸對(duì)稱方法只可以預(yù)測(cè)空腔渦帶的平均位置，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尾水管中心附近湍動(dòng)能的產(chǎn)生和擴(kuò)散，對(duì)軸面速度的預(yù)估

康牟晃榷??態(tài)引發(fā)[49]，為了獲得水泵水輪機(jī)內(nèi)部精確的內(nèi)流場(chǎng)特性，Eisele等[50]通過(guò)PIV和LDV測(cè)量技術(shù)，識(shí)別出了水泵水輪機(jī)內(nèi)部不同類型的不穩(wěn)定流動(dòng)，包括轉(zhuǎn)輪出口上冠處的流動(dòng)分離、進(jìn)口邊脫流和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)分離。雖然實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和內(nèi)流場(chǎng)量化測(cè)試是最可靠的研究方法，但由于經(jīng)濟(jì)性限制使得CFD數(shù)值模擬仍然是研究水泵水輪機(jī)“S”特性的主要方法，如Xiao等[51]和Widmer等[52]就通過(guò)數(shù)值模擬識(shí)別出了水泵水輪機(jī)“S”特性區(qū)域內(nèi)的流道進(jìn)口回流、旋轉(zhuǎn)失速等復(fù)雜流動(dòng)特性（見圖3），指明了無(wú)葉區(qū)內(nèi)靜止渦及旋轉(zhuǎn)失速是“S”特性流動(dòng)特征的根源。（a）靜止渦形成（b）旋轉(zhuǎn)失速圖3靜止渦形成和旋轉(zhuǎn)失速的延伸[52]Fig.3Formationofstationaryvorticesandextensionofrotatingstall[52]水泵水輪機(jī)“S”特性本質(zhì)是一種工程實(shí)際現(xiàn)象，對(duì)其開展研究的最終目的還是抑制該現(xiàn)象的發(fā)生。早在20世紀(jì)80年代，Kuwabara等[53]就開發(fā)了一種可抑制“S”特性的智能調(diào)速器，以改善水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定性，Klemm[54]也首次提出了非同步導(dǎo)葉措施以改善“S”特性。如今國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)非同步導(dǎo)葉（MGV）進(jìn)行了大量研究和分析[55-56]，研究表明，非同步導(dǎo)葉開啟的方法是目前改善水泵水輪機(jī)“S”特性最成熟、有效的方法，該技術(shù)也在天荒坪、宜興等抽水蓄能電站獲得了實(shí)際應(yīng)用。但這種技術(shù)仍存在一定問題，胡楠楠等[57]、陳鐵軍等[58]指出，預(yù)開啟導(dǎo)葉開度的增加有可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值的提高，同時(shí)也會(huì)使得控制系統(tǒng)復(fù)雜化，增加了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。同時(shí)，他們也認(rèn)為，解決水泵水輪機(jī)“S”特性最根本的方法仍然是從水力設(shè)計(jì)角度出

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3406193