發(fā)布時間：2020-07-08 12:36

【摘要】：抽水蓄能電站在能源結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛,主要承擔(dān)調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷并兼顧電網(wǎng)調(diào)相調(diào)頻作用,同時在新能源配套設(shè)施中對能源起到儲存和調(diào)控作用。目前,我國正大力提倡發(fā)展低碳、清潔能源,抽水蓄能作為新能源電站配套設(shè)施,得到大力發(fā)展。因此抽水蓄能在國家能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的作用越來越大。水泵水輪機(jī)在運(yùn)行過程中需要在各種工況下轉(zhuǎn)換,當(dāng)水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷時,在機(jī)組導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的極端工況下,機(jī)組容易進(jìn)入飛逸狀態(tài)。飛逸過渡過程對機(jī)組的安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生巨大危害,因此對于該問題的研究具有較大的工程意義。本文以某抽水蓄能電站機(jī)組水泵水輪機(jī)為研究對象,通過數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方式研究其飛逸工況下,水泵水輪機(jī)無葉區(qū)高速水環(huán)、轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)漩渦流動以及尾水管渦帶等不穩(wěn)定現(xiàn)象對機(jī)組運(yùn)行的影響,通過研究壓力脈動在流道內(nèi)的傳遞規(guī)律,高速水環(huán)形成機(jī)理,葉道渦、尾水管渦帶演化規(guī)律,探討它們對機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的影響,主要內(nèi)容以及結(jié)論如下:1.基于Realizable k-ε湍流模型對水泵水輪機(jī)模型三維流場進(jìn)行模擬計算,獲得其內(nèi)部流場以及外特性曲線。依托哈電集團(tuán)哈爾濱大電機(jī)研究所先進(jìn)試驗臺,對水泵水輪機(jī)飛逸工況不穩(wěn)定運(yùn)行因素(尾水管渦帶、壓力脈動等)和四象限運(yùn)行特性曲線等進(jìn)行模型實測。獲得水泵水輪機(jī)典型工況運(yùn)行工況特性曲線以及機(jī)組相應(yīng)位置壓力脈動。把數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高,表明基于Realizable k-ε湍流模型三維全流道數(shù)值模擬能夠較準(zhǔn)確的模擬飛逸工況。2.無葉區(qū)高速水環(huán)對機(jī)組運(yùn)行的影響(1)運(yùn)用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法,通過數(shù)值計算獲得水泵水輪機(jī)計算域內(nèi)流場各特征參量,模型試驗得到其“S”特性曲線,研究飛逸工況下高速水環(huán)對無葉區(qū)流動的影響。通過對無葉區(qū)高速水環(huán)特性分析,得出:高速水環(huán)在無葉區(qū)的位置隨著流量的增加而向轉(zhuǎn)輪一側(cè)移動,并且隨著開度和流量變大,高速水環(huán)逐漸被破壞變?nèi)?高速水環(huán)的位置移動受轉(zhuǎn)輪離心力以及上游水頭壓力的雙重影響;高速水環(huán)致使來流沖角的隨機(jī)波動是導(dǎo)致無葉區(qū)隨機(jī)性波動主要原因。(2)通過ANSYS有限元分析模塊,研究水力激振對機(jī)組運(yùn)行的影響。通過流固耦合獲得其轉(zhuǎn)輪固有頻率,探討流體內(nèi)部壓力脈動頻率空間分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)固有頻率之間的相互關(guān)系,得出:水泵水輪機(jī)在小流量飛逸工況下,受轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)動靜干涉的影響,無葉區(qū)頻率分布豐富;葉頻以及倍葉頻壓力脈動信號在該區(qū)域起主導(dǎo)作用;水力激振與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生共振,轉(zhuǎn)輪葉片與活動導(dǎo)葉之間的動靜干涉是導(dǎo)致流固共振的主要原因。3.轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)漩渦流動對機(jī)組運(yùn)行的影響通過非定常數(shù)值計算,獲得轉(zhuǎn)輪區(qū)域瞬態(tài)流動特性,得到轉(zhuǎn)輪區(qū)域相干結(jié)構(gòu)的演化過程,探究流道內(nèi)漩渦流動對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響,得出:小流量飛逸工況下,轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)流態(tài)紊亂,存在著不同尺度的相干結(jié)構(gòu),這些相干結(jié)構(gòu)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口段、轉(zhuǎn)輪葉片背面壁面附近以及轉(zhuǎn)輪流道中間的位置;轉(zhuǎn)輪流道進(jìn)口段葉片前緣對流體的繞流以及葉片出口端與泄水錐上游區(qū)域反向旋轉(zhuǎn)的流體碰撞分流是該位置產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)的主要原因,漩渦在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)演化過程影響葉片壓力載荷分布,漩渦發(fā)展演化使得葉片壓力載荷出現(xiàn)局部低壓區(qū)和高壓區(qū)。4.尾水管渦帶對機(jī)組運(yùn)行的影響通過在尾水管區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點,對水泵水輪機(jī)在不同導(dǎo)葉開度下尾水管渦帶的形態(tài)進(jìn)行捕捉,探討渦帶形態(tài)及變化特征對尾水管壓力脈動的影響。得出:尾水管渦帶與導(dǎo)葉開度關(guān)系密切;尾水管渦帶不斷向下游輸運(yùn),是造成水泵水輪機(jī)尾水管區(qū)域產(chǎn)較大的壓力脈動的關(guān)鍵因素。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK730
【圖文】：

水泵水輪機(jī)飛逸工況穩(wěn)定性研究 機(jī)飛逸相關(guān)工況研究現(xiàn)狀具備水輪機(jī)發(fā)電和水泵抽水的雙重功能，因此水蓄能機(jī)組要根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)發(fā)電、抽水、發(fā)電方向調(diào)相和抽水方向調(diào)相這[5]。將這五種工況按照任意方式排列組合，會出負(fù)荷變化的要求，電力系統(tǒng)對各種工況間的轉(zhuǎn)間反應(yīng)快，而且需要保證轉(zhuǎn)化過程的穩(wěn)定可靠易出現(xiàn)強(qiáng)沖擊和劇烈振動的現(xiàn)象，水泵水輪機(jī)行區(qū)間。因此對于水泵水輪機(jī)“S”特性的研究等一些問題的研究仍然任重而道遠(yuǎn)。

圖 2.1 水泵水輪機(jī)全流道模型域水體建模采用斷面混合的方式，然后對割舌部分切除。進(jìn)行樣條草繪，然后根據(jù)水力圖中心線并以此作為混合樣對蝸殼斷面進(jìn)行草繪時需確保其對稱性，因為蝸殼網(wǎng)格劃構(gòu)成法，如果水體物理模型不對稱，這樣在網(wǎng)格劃分時會至?xí)霈F(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，導(dǎo)致數(shù)值模擬無法計算。這樣混合后光滑，其實這與實際真機(jī)存在誤差。通常真機(jī)蝸殼由多段之間不可能光滑過渡，考慮理想狀態(tài)下，蝸殼為平滑過渡，較小，所以本文仍然采用平滑過渡的方式。同時由于本文對水泵水輪機(jī)飛逸工況流動特性的影響，所以需要對蝸殼模。這要求在切除割舌位置時較高的精度，以防止固定導(dǎo)積影響數(shù)值模擬計算精度。固定導(dǎo)葉在實際電站施工時，，一方面對蝸殼起到支撐作用，另一方面它也為技術(shù)維修蝸殼進(jìn)口流進(jìn)蝸殼經(jīng)過固定導(dǎo)葉，這個過程中水流在固定量。蝸殼以及固定導(dǎo)葉三維水體如圖 2.2、2.3 所示。

蝸殼流域水體建模采用斷面混合的方式，然后對割舌部分切除。混合過程先對各個斷面進(jìn)行樣條草繪，然后根據(jù)水力圖中心線并以此作為混合樣條進(jìn)行混合成實體。在對蝸殼斷面進(jìn)行草繪時需確保其對稱性，因為蝸殼網(wǎng)格劃分時采用上下對稱網(wǎng)格構(gòu)成法，如果水體物理模型不對稱，這樣在網(wǎng)格劃分時會使得網(wǎng)格質(zhì)量較低，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，導(dǎo)致數(shù)值模擬無法計算。這樣混合后使得蝸殼流域水體過渡光滑，其實這與實際真機(jī)存在誤差。通常真機(jī)蝸殼由多段圓筒焊接而成，段與段之間不可能光滑過渡，考慮理想狀態(tài)下，蝸殼為平滑過渡，且對數(shù)值模擬計算影響較小，所以本文仍然采用平滑過渡的方式。同時由于本文需要分析各個過流部件對水泵水輪機(jī)飛逸工況流動特性的影響，所以需要對蝸殼和固定導(dǎo)葉流域分開建模。這要求在切除割舌位置時較高的精度，以防止固定導(dǎo)葉和蝸殼之間出現(xiàn)負(fù)體積影響數(shù)值模擬計算精度。固定導(dǎo)葉在實際電站施工時，是把其與蝸殼埋入地下，一方面對蝸殼起到支撐作用，另一方面它也為技術(shù)維修排水提供通道。水流從蝸殼進(jìn)口流進(jìn)蝸殼經(jīng)過固定導(dǎo)葉，這個過程中水流在固定導(dǎo)葉流域產(chǎn)生最初的環(huán)量。蝸殼以及固定導(dǎo)葉三維水體如圖 2.2、2.3 所示。

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