水泵水轮机飞逸与制动工况内流特性及转轮受力分析

摘要

可逆式水泵水轮机组兼具了发电及储能的特点，对调整电网负荷起重大作用，尤其对于西北地区新能源大发展中的储能与改善能源配送结构意义重大。水泵水轮机在运行过程中经常会经历启动、停机、甩负荷、飞逸等一系列过渡过程，其中尤以飞逸过渡过程可能引起的破坏性为重。而现今对飞逸及退出飞逸过程中所经历制动工况的研究还不够深入。因此，通过试验数据和数值模拟计算，探讨研究水泵水轮机飞逸及制动工况的流动机理及转轮受力，对改善机组运行的稳定性意义重大。
　　本研究主要内容包括：⑴利用FLUENT软件对混流式水泵水轮机模型7个不同开度下的飞逸工况以及小开度11 m m下全特性曲线上包含水轮机、制动、反水泵的7个工况进行全流道数值模拟，分析并作出单位流量 Q11与单位转速 n11关系曲线，通过与试验所得曲线的对比，确认数值计算对这两个工况模拟结果的误差度在允许范围内，可以用于分析。⑵对不同开度下飞逸工况时的全流道内流形态、压力脉动及转轮受力作出分析，分析开度对飞逸工况的影响。⑶选取较小导叶开度11 mm，对其制动工况进行重点探究，着重分析导叶区的尾迹与压力脉动以及转轮和叶片的受力。⑷通过以上分析研究，得出如下结论：随着开度增大到一定值，蜗壳内流动特性显著改变，压力波动程度增大，出现高频脉动成分；转轮进口冲击损失使得内部高低压分布的对称性被破坏，叶片工作面、背面差值增大；随着开度的增大，转轮内流体速度增加，压力增大；转轮所受径向力、轴向力的大小与波动幅度随开度的增大而显著增加，叶片承受的压力载荷也普遍增加，流道内各监测点的压力均有不同程度的升高；导叶区充斥着结构大小不一的漩涡，涡系结构的演变及水流冲击效应造成能量的损失，进一步转化为紊动能，其处压力脉动主频为叶频，幅值达到正常运行工况的3倍以上；制动工况下转轮所受径向力呈周期性脉动，受力方向向一边倾斜，在飞逸线附近正斜率的制动区域运行时内部会出现旋转失速现象，在转轮出口引发周期性横流，对叶片正、背面产生周期性冲击，叶片将承受较大的交变应力。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2研究背景

1.3 本文的主要研究内容

第2章 湍流基本理论及数值计算方法

2.1 湍流流动控制方程

2.2 湍流基本理论介绍

2.3 本章小结

第3章 数值计算模型建立

3.1 物理模型简介

3.2 几何模型建立

3.3 网格划分

3.4 计算设置

3.5 本章小结

第4章 飞逸工况下水泵水轮机流道内流动及转轮受力分析

4.1 模型试验简介

4.2 计算工况点的选取及验证

4.3不同开度转轮内流动形态对比

4.4 不同开度转轮受力分析

4.5 不同开度流道各处压力脉动

4.6 本章小结

第5章 制动工况导叶区域流态及转轮受力分析

5.1 计算工况点的选取及验证

5.2 导叶的振动

5.3 转轮受力的不均匀性

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文