低比轉速混流式水泵水輪機非同步導葉流動穩(wěn)定性研究.pdf

1、當今，工業(yè)用電需求逐步增大、電網容量不斷提高。在這樣雙重壓力之下促使巨型火電以及核電高速發(fā)展。然而由于巨型火電與核電機組不宜在變負荷和低負荷條件下運行，建設抽水蓄能電站對電網進行削峰填谷就成為了維護電網穩(wěn)定性、提高電能質量的最優(yōu)解決方案，因此抽水蓄能電站的建設具有其難以替代的必要性。
　　 然而抽水蓄能電站中核心設備水泵水輪機由于運行工況復雜多變，導致其穩(wěn)定性差。尤其是在水輪機工況下的“S”特性區(qū)內，轉輪流道內部流動狀態(tài)復雜，最

2、終導致水泵水輪機在水輪機工況低水頭啟動并網時發(fā)生困難。當前為解決此類問題所采取的最主要的方法是采用兩個或多個對稱導葉預開啟的方式以增加流量，從而提高啟動穩(wěn)定性。但是這種預開導葉的方法破壞了轉輪室的水力平衡,導致機組的噪聲與振動明顯增加，且對非同步開啟的導葉的強度也有了更高的要求。因此，對非同步導葉投入時“S”形區(qū)附近工況點雙列葉柵及轉輪通道內流動狀態(tài)的研究具有重要意義。雖然國內外學者進行了相應的研究工作，但是早期的研究主要以模型試驗或真

3、機測試為主，而近些年基于計算流體力學的分析往往因為網格數(shù)量沒能達到計算要求，或者單流道計算不能反映出整個流道內的流動狀態(tài)，從而沒能取得理想的仿真結果。
　　 針對以上問題，本文選擇四種不同導葉開啟方案進行研究，先后對國內某抽水蓄能電站低比轉速混流式模型水泵水輪機進行幾何建模、劃分全流道結構化網格、并借助計算流體力學軟件CFX進行全流道數(shù)值模擬。模擬選用能夠更好捕捉流動分離細節(jié)的分離渦湍流方法（Detachededdysimula

4、tionmethod，即DES）進行計算，進一步探索水泵水輪機在“S”形區(qū)域的內特性與外特性，得到不同工況下主要流道內部的流動分離及壓力脈動情況，并將所得到的內部流動特性同理論分析結果進行對比分析，外特性同實驗結果對比，計算結果表明:
　　 1)通過控制壁面Y+值可以達到DES湍流方法直接求解壁面區(qū)域的目的，使計算結果可以達到很好的精度，轉輪流道內流場的計算結果與理論分析結果相吻合，外特性與實驗值相吻合，仿真計算誤差小于3％;<

5、br>　　 2)隨著流量不斷減小，轉輪進口流動分離現(xiàn)象逐漸增強，最終發(fā)展成漩渦對流道造成堵塞，堵塞還將引發(fā)轉輪與雙列葉柵之間的相互作用，導致整個流道內大規(guī)模流動不穩(wěn)定性的產生，數(shù)值模擬結果同基于速度三角形的理論分析相吻合。
　　 3)通過非同步導葉在三種不同開啟位置工況下水輪機工況下流量特性研究可以得出非同步導葉的使用基本消除“S”形區(qū)的結論;內特性研究表明非同步導葉的使用將導致轉輪內形成兩高速流通道，致使轉輪內受力不平衡。<