混流式水泵水轮机驼峰区数值模拟及试验研究

摘要

水泵水轮机的泵工况特性曲线上存在驼峰区，对泵工况稳定运行造成不利影响。为此水泵水轮机用户在标书和合同上通常对泵工况特性的驼峰区安全裕度做出严格规定。为避免水泵水轮机泵工况运行进入驼峰区，有必要对水泵水轮机泵工况驼峰区特性进行深入研究。本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法，对水泵水轮机在驼峰区运行时转轮内部流动以及对机组的影响进行了详细的研究。
　　 首先对水泵水轮机模型在泵工况下，取不同导叶开口进行了能量特性和驼峰区压力脉动试验。绘制出水泵水轮机泵工况能量特性曲线，获得了某开口泵工况在不同流量下转轮进口流态的特征，并对驼峰区工况下水泵水轮机蜗壳出口、导叶后转轮前、顶盖和转轮之间、锥管上游和锥管下游、肘管上游和肘管下游7个测点进行了压力脉动试验。
　　 而后，应用定常、不可压缩的三维 Navier-Stokes方程以及 RNG k-ε湍流模型对水泵水轮机泵工况进行了单流道和全流道的三维湍流流场计算与分析，预测了水泵水轮机泵工况的扬程，并与水泵水轮机泵工况在相关开口下的试验值进行了比较。分析结果指出：随着流量减小，水泵水轮机转轮出口靠近上冠处出现的流动分离、从导叶进口流向转轮出口的二次回流、尾水管直锥段靠近转轮进口处出现的正旋流动、转轮叶片负压面出口相对速度大小和方向的变化对水泵水轮机泵工况特性曲线驼峰区的形成有重要影响；若在水泵水轮机水力设计中对导叶和上冠型线进行优化设计、采取措施延迟或减小转轮进口回流的出现和发展，则有可能大大提高水泵水轮机泵工况在驼峰区的性能。
　　 本研究成果为进一步研究水泵水轮机泵工况驼峰区特性，改进水泵水轮机泵转轮水力特性提供了依据。