部分负荷工况下水泵水轮机空化流动特性研究

摘要

可逆式水泵水轮机兼具储能和发电的特点，在电力系统中担任调峰、调频、调相和事故备用等重要角色。随着抽水蓄能机组逐渐向高水头、大容量和高速化方向发展，对机组的运行稳定性提出了更高的要求。空化是影响水力机械高效安全运行的重要因素之一，严重时会引起流道内水流流动紊乱并产生剧烈的压力脉动，从而导致过流部件发生水力振动和空蚀破坏。本文针对水泵水轮机在部分负荷工况下尾水管空化涡带诱发的一系列不稳定流动问题，围绕机组处于不同空化阶段时流道内复杂的空化流动特性展开了相关研究。
　　以国内某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象，借助计算流体动力学软件完成了空化流动的瞬态计算；结合模型试验数据，对不同装置空化系数下机组的内流特性以及压力脉动特性进行了有效预测，为水泵水轮机运行工况的合理选择提供了一定的参考依据。主要做出以下几个方面的工作：
　　1）基于研究对象的几何参数，利用PRO/E软件进行了全流道三维几何建模，采用ICEM-CFD软件分别完成了各过流区域的网格划分工作，验证了网格的无关性，合理选取湍流及空化模型、设置边界条件及确定收敛精度，建立起一套完整的模型水泵水轮机空化流动特性的数值计算模型。
　　2）基于原机组模型试验数据，选择各特征工况点并给定相应的工作参数，对模型水泵水轮机进行了全流道空化流动数值计算。结合理论分析及模型试验结果，验证了数值计算方案的可行性，对比分析了装置空化系数的改变对水力性能及内流状态的影响。结果表明，空化的发生及发展导致水力效率急剧下降，轴向力明显增大，空化涡带开始生成并逐渐由细变粗，阻塞了部分流道造成过流能力下降，对机组的安全稳定性造成不利的影响。
　　3）沿着流动方向在流道内多处布置压力监测点，记录各监测点的静压随时间的变化历程，借助ORIGIN软件对数据进行快速傅立叶变换（FFT），得到相应的频谱特性。考虑空间位置和运行工况等因素的影响，分析了不同装置空化系数下水泵水轮机的压力脉动特性，探讨了空化的发生和发展与全流道压力脉动的分布及传播方式之间的对应关系。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 国内外相关研究进展

1.4 本文的主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 空化流动的相关理论

2.1 空化的基本理论

2.2 空化对水力机械的危害

2.3 空化与空蚀的防护及改善措施

2.4 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 计算域网格划分

3.4 边界条件设置

3.5 本章小结

第4章 部分负荷工况下水泵水轮机的内流特性分析

4.1 模型试验简介

4.2 计算工况点选取

4.3 非定常计算结果分析

4.4 本章小结

第5章 部分负荷工况下水泵水轮机的脉动特性分析

5.1 无空化状态下的压力脉动试验

5.2 空化条件下的非定常数值计算

5.3 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