【摘要】：抽水蓄能既是目前電力系統(tǒng)中最為理想的大規(guī)模調(diào)峰電源,也是最為理想的能量?jī)?chǔ)藏方式。隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能受環(huán)境影響較大的可再生能源在電網(wǎng)中大量投入,需要抽水蓄能機(jī)組通過(guò)頻繁的工況轉(zhuǎn)換(水輪機(jī)和水泵工況的啟動(dòng)、停機(jī)以及負(fù)荷變化等)來(lái)平衡電網(wǎng)負(fù)荷的快速變化,要求水泵水輪機(jī)具有更好的運(yùn)行靈活性(更快的工況轉(zhuǎn)換速度和更寬的穩(wěn)定運(yùn)行范圍),而駝峰區(qū)和S區(qū)不穩(wěn)定特性是制約其靈活性的技術(shù)關(guān)鍵。相比于過(guò)去的水泵水輪機(jī),目前的水泵水輪機(jī)隨著揚(yáng)程和比轉(zhuǎn)速的增高以及功率的增大,駝峰區(qū)和S區(qū)不穩(wěn)定特性對(duì)水泵水輪機(jī)靈活性的影響更加突出,從而成為水泵水輪機(jī)領(lǐng)域研究的技術(shù)核心與關(guān)鍵,是一道世界性難題,受到世界水力機(jī)械領(lǐng)域的重視并開展深入的研究。本研究以水泵水輪機(jī)駝峰區(qū)特性為目標(biāo),采用理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,針對(duì)目前我國(guó)裝機(jī)單機(jī)容量最大的水泵水輪機(jī)(375MW)水泵工況駝峰不穩(wěn)定特性展開了基礎(chǔ)理論研究,對(duì)駝峰不穩(wěn)定特性流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了探索,尋求解決相關(guān)問(wèn)題的具體技術(shù)方法以及提出更好的分析手段;同時(shí),推進(jìn)我國(guó)抽水蓄能電站設(shè)備國(guó)產(chǎn)化工作進(jìn)程。(1)通過(guò)模型試驗(yàn)的方法研究了不同活動(dòng)導(dǎo)葉開口下的能量特性及壓力脈動(dòng)特性,驗(yàn)證了該水泵水輪機(jī)在不同活動(dòng)導(dǎo)葉開口下存在駝峰特性并伴隨遲滯效應(yīng)。運(yùn)用短時(shí)傅里葉變換、互功率譜等信號(hào)處理法,對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,確定了駝峰特性及伴隨的遲滯效應(yīng)與雙列葉柵和無(wú)葉區(qū)內(nèi)的低頻脈動(dòng)有關(guān),分析結(jié)果表明低頻脈動(dòng)來(lái)源于旋轉(zhuǎn)失速或非穩(wěn)態(tài)旋渦運(yùn)動(dòng)。(2)為揭示駝峰特性及伴隨的遲滯效應(yīng)形成機(jī)理,基于兩方程SST k-ω湍流模型,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)該水泵水輪機(jī)模型水泵工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值研究,計(jì)算得到13mm、19mm和25mm活動(dòng)導(dǎo)葉開口外特性曲線,與試驗(yàn)結(jié)果一致。采用歐拉理論和水力損失分析方法對(duì)19mm活動(dòng)導(dǎo)葉開口進(jìn)行詳細(xì)分析,結(jié)果表明,靠近最優(yōu)工況的駝峰特性主要是由水力損失的增加導(dǎo)致的,而遠(yuǎn)離最優(yōu)工況的駝峰特性是歐拉能量的減少和水力損失的增加導(dǎo)致的。在駝峰區(qū)內(nèi),由于流量增大方向和流量減小方向上歐拉能量和水力損失的不同,導(dǎo)致遲滯效應(yīng)的出現(xiàn),致使駝峰不穩(wěn)定區(qū)域增大。此外,通過(guò)對(duì)不同活動(dòng)導(dǎo)葉開口同一工況點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析,獲得了活動(dòng)導(dǎo)葉開口對(duì)駝峰特性的影響。(3)為準(zhǔn)確地獲得導(dǎo)致駝峰特性產(chǎn)生的水力損失來(lái)源,采用熵產(chǎn)理論確定了水泵水輪機(jī)水泵工況下的水力損失分布。考慮局部熵產(chǎn)率壁面效應(yīng),提出了采用壁面方程,解決了熵產(chǎn)損失在壁面處計(jì)算不準(zhǔn)確的問(wèn)題。通過(guò)熵產(chǎn)理論分析,得出了駝峰特性及伴隨的遲滯效應(yīng)主要來(lái)源于轉(zhuǎn)輪入口靠近下環(huán)的回流和雙列葉柵中分離渦所引起的水力損失。(4)采用非定常數(shù)值模擬方法研究了19mm活動(dòng)導(dǎo)葉開口下的駝峰區(qū)工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)特性,揭示了引起駝峰特性的低頻脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理。分析結(jié)果表明在靠近最優(yōu)工況的駝峰區(qū)工況點(diǎn)0.92QBEP,低頻脈動(dòng)來(lái)源于固定導(dǎo)葉內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速和喘振;在遠(yuǎn)離最優(yōu)工況的駝峰區(qū)工況點(diǎn)0.37QBEP,低頻脈動(dòng)來(lái)源于活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速;在其它非駝峰區(qū)工況點(diǎn),低頻脈動(dòng)來(lái)源于旋渦運(yùn)動(dòng)和喘振。(5)采用變流量瞬態(tài)過(guò)程模擬的方法對(duì)球閥快速開啟和關(guān)閉瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,獲得了駝峰特性及伴隨的遲滯效應(yīng)的瞬態(tài)特性。結(jié)合時(shí)頻分析方法(連續(xù)小波分析),對(duì)流場(chǎng)、局部熵產(chǎn)率分布等進(jìn)行分析,得到了尾水管內(nèi)迪恩渦和回流以及雙列葉柵中的旋轉(zhuǎn)失速、分離渦的產(chǎn)生、發(fā)展和消散的演變規(guī)律。分析結(jié)果表明,瞬態(tài)過(guò)程導(dǎo)致了更明顯的遲滯效應(yīng),加大了駝峰特性不穩(wěn)定區(qū)域。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TV136
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本文編號(hào)：2296480