【摘要】：抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)相、緊急事故備用等優(yōu)點,是我國電力工業(yè)中不可或缺的主要組成部分。水泵水輪機是抽水蓄能電站的核心部件,其性能優(yōu)劣對抽水蓄能機組高效、安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。性能優(yōu)良的水泵水輪機要保證其具有良好的雙向流動效率,空化性能、“S”區(qū)特性以及壓力脈動性能。目前,水泵水輪機設(shè)計大多采用設(shè)計-實驗-修正的方法,難以同時兼顧轉(zhuǎn)輪多個性能目標。本文利用一種轉(zhuǎn)輪多目標優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng),完成了蒲石河水泵水輪機轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計,在設(shè)計工程中,綜合考慮了轉(zhuǎn)輪效率、空化和壓力脈動性能,并對優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪進行了實驗測試和數(shù)值模擬計算分析。多目標優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)依托ISIGHT優(yōu)化平臺,整合了三維反問題設(shè)計方法、CFD數(shù)值模擬、實驗設(shè)計方法、響應(yīng)曲面方法以及多目標遺傳算法。利用該系統(tǒng),以葉片載荷和轉(zhuǎn)輪高壓邊傾角為優(yōu)化變量,水泵額定工況效率、水輪機額定工況效率、水輪機最優(yōu)工況下機組效率以及機組空化性能為優(yōu)化目標,對蒲石河水泵水輪機轉(zhuǎn)輪進行了優(yōu)化設(shè)計,共得到10000個優(yōu)化轉(zhuǎn)輪。隨后從優(yōu)化轉(zhuǎn)輪中,優(yōu)選得到三個效率高和空化性能好的轉(zhuǎn)輪,并通過進一步非定常數(shù)值模擬研究,選取優(yōu)選轉(zhuǎn)輪中壓力脈動性能最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪作為最終設(shè)計轉(zhuǎn)輪。同時在設(shè)計過程中,研究了優(yōu)化變量的敏感性,得到了各優(yōu)化變量與優(yōu)化目標之間的關(guān)系,為水泵水輪機設(shè)計積累了寶貴的設(shè)計經(jīng)驗。優(yōu)化設(shè)計成果表明,最終轉(zhuǎn)輪相比于初始轉(zhuǎn)輪各個目標均得到不同程度的提升。轉(zhuǎn)輪水泵額定工況機組額定效率提升了0.33%;水輪機工況機組額定效率提升了2.5%;水輪機最優(yōu)工況機組效率提升了0.17%;水泵工況葉片最低壓力提升了約5.17m。對最終轉(zhuǎn)輪進行加工及模型試驗,測試內(nèi)容包括水泵性能試驗、水泵空化試驗、水泵壓力脈動試驗、水輪機效率試驗和水輪機壓力脈動試驗。試驗結(jié)果表明最終轉(zhuǎn)輪具有較好的效率性能、空化性能和壓力脈動性能。水泵和水輪機工況下最高模型效率分別為91.323%和92.608%,轉(zhuǎn)化為原型機最高效率分別為93.53%和94.903%;最終轉(zhuǎn)輪在小開度下轉(zhuǎn)輪,空化性能更好;水泵和水輪機工況下轉(zhuǎn)輪前導(dǎo)葉后無葉區(qū)位置壓力脈動幅值最大值分別為16.57%和24.22%。通過CFD數(shù)值模擬重點研究了轉(zhuǎn)輪設(shè)計誤差、轉(zhuǎn)輪在水泵額定工況和水輪機額定工況下的內(nèi)流場特性以及轉(zhuǎn)輪“S”區(qū)壓力脈動特性。研究結(jié)果表明,優(yōu)化前后轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力分布相差不大,轉(zhuǎn)輪葉片高壓邊傾角改善了葉片表面流線分布;轉(zhuǎn)輪“S”區(qū)流動十分復(fù)雜,隨著工況點變化,無葉區(qū)會先出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速后消失,尾水管會出現(xiàn)尾水渦現(xiàn)象。在旋轉(zhuǎn)失速特征強烈工況點,無葉區(qū)旋轉(zhuǎn)失速渦團會進一步向下游發(fā)展與尾水渦相互作用形成新的尾水渦帶。
【學(xué)位授予單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV734.1

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