水泵水輪機“S”區(qū)內(nèi)流機理及優(yōu)化設計研究.pdf

1、水泵水輪機作為抽水蓄能電站的核心部件，是我國抽蓄電站國產(chǎn)化進程中的關鍵技術。在水泵水輪機的實際運行過程中發(fā)現(xiàn)機組并網(wǎng)時存在較大的不穩(wěn)定問題，其主要原因就是機組的特性曲線呈現(xiàn)“S”形狀，這種特性陸陸續(xù)續(xù)在多個電站反映出來，給電站的生產(chǎn)造成了很大的困難。本論文針對水泵水輪機的“S”特性問題，重點圍繞現(xiàn)有機組“S”特性曲線的數(shù)值預測方法、“S”特性的形成機理和“S”特性曲線的水力優(yōu)化設計三個方面開展了相應的研究工作，內(nèi)容如下:
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2、)首先，“S”特性曲線上的工況點是由水輪機工況、水輪機制動工況和反水泵工況組成的，是典型的非設計工況，在這些工況點的流動是目前的雙方程渦粘性湍流模型所不能準確求解的。本文借鑒了二階矩模型的優(yōu)點，在York等人的工作基礎上，采用對顯式代數(shù)應力模型EASM模型進行線性化處理的方法修改了標準k-ε模型，并對修改的模型進行了典型算例的實驗驗證，結(jié)果表明新模型可以更加準確地計算大曲率流動特征。
　　(2)基于上述新模型，采用全三維全流道的湍

3、流穩(wěn)態(tài)計算方法對“S”特性曲線的工況點進行了仿真計算。計算結(jié)果表明仿真曲線與模型試驗曲線吻合良好。進一步地對“S”特性曲線的典型工況點的內(nèi)部流場進行了分析，初步解釋了“S”特性曲線形成的機理為活動導葉出口和轉(zhuǎn)輪進口之間的無葉區(qū)內(nèi)“擋水環(huán)”的阻塞作用。
　　(3)為從瞬態(tài)過程真實流動的角度進一步解釋“S”特性曲線對瞬態(tài)過程不穩(wěn)定特性的影響，基于動態(tài)滑移面法建立了機組飛逸過程的三維瞬態(tài)流動的數(shù)值模擬方法，并對某電站水泵水輪機真機的飛逸

4、過程進行了仿真計算。仿真結(jié)果顯示數(shù)值方法可以準確地預測飛逸過程的轉(zhuǎn)速變化曲線。進一步對人為假設的水頭條件下對飛逸過程進行了仿真計算，得到了轉(zhuǎn)速的波動曲線，進一步的流場的分析揭示了轉(zhuǎn)速的波動原因為無葉區(qū)的動態(tài)失速造成的。
　　(4)從水力設計的角度出發(fā)，對“S”特性曲線的各個工況點的機組各部件的水力損失進行分析，得到轉(zhuǎn)輪是導致水泵水輪機“S”特性的主要原因;進而對比了水泵水輪機“S”曲線典型工況點的環(huán)量分布規(guī)律，得到改進“S”特性方