超高水头抽水蓄能机组选型与水力稳定性研究

摘要

随着抽水蓄能电站建设的需要和发展，抽水蓄能技术向着超高水头、大容量方向发展。国内一批700m以上的超高水头大容量抽水蓄能电站也正在或有待建设，超高水头水泵水轮机关键技术研究比较急迫。 本文依托吉林敦化抽水蓄能电站的建设，针对水泵水轮机的水力开发情况，进行了三方面的工作。首先，对不同技术方案及关键技术参数进行对比分析，确定机组型式、单机容量、额定转度、额定水头、吸出高度以及组拆装方式，为工程提供较优的综合技术解决方案。其次，系统分析了水泵水轮机不同运行工况下的水力特性。最后，开展超高扬程水泵水轮机低水头空载稳定性研究、“驼峰”区稳定性研究、无叶区压力脉动研究、机组振动分析研究等。主要结论如下： 根据电站的工作水头及其变幅情况，推荐采用立轴混流单级可逆式水泵水轮机。对比不同技术参数及安装运输等条件，推荐装机台数为4台，单机容量为350MW，额定转速为500r/min，额定水头取655m，吸出高度取为-94m，相应水轮机安装高程596.Om。 水泵工况的数值计算结果表明，CFD计算能够比较准确地预测扬程、效率和初生空化方面的特性。叶片表面压力分布均匀，流线光顺，转轮和叶栅流道内部无明显脱流或漩涡结构。水轮机工况下，最优工况附近转轮出口轴面速度分布均匀，出口周向速度基本为零，头部来流角度合理。 机组稳定性结果显示，水轮机工况“S”区裕量及水泵工况“驼峰”区裕量足够大，无叶区和尾水管压力脉动幅值全面较优，能保证机组安全稳定运行；动静干涉及卡门涡产生的水力激振与转轮和导叶的固有频率之间错频裕度足够大，有效规避了发生共振的风险；通过优化活动导叶，确保水泵工况导叶小开度不发生自激振动，同时，合适的叶片数可以有效避免发生相位共振的风险。

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摘 要

ABSTRACT

1绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 敦化抽水蓄能电站工程简介

2.1 工程概况

2.2 电站基本参数

2.3 本章小结

3超高水头大容量水泵水轮机组选型研究

3.1 机组机型选择

3.2 单机容量

3.3 额定转速

3.3.1 比转速、比速系数选择

3.3.2 额定转速选择

3.4 额定水头选择

3.5 吸出高度

3.6 组拆装方式

3.7水泵水轮机技术参数统计

3.8 本章小结

4 超高水头水泵水轮机水力特性的数值计算与实验分析

4.1 敦化电站水泵水轮机的主要参数特点

4.2水泵水轮机过流部件几何参数分析

4.2.1 转轮

4.2.2 双列叶栅

4.2.3 蜗壳

4.2.4 尾水管

4.3 水泵水轮机过流部件水力性能的数值计算与实验分析

4.3.1 湍流模型的选取

4.3.3 边界条件

4.4 数值计算与实验测试结果分析

4.4.1 水泵工况

4.4.2 水轮机工况

4.5 本章小结

5 超高水头大容量机组水力稳定性分析

5.1 稳定性分析内容

5.2 水泵水轮机水力稳定性

5.2.1水轮机工况“S”区裕量与空载稳定性

5.2.2水泵工况“驼峰”区裕量

5.2.3无叶区和尾水管压力脉动

5.2.4避免动静干涉引起的共振

5.2.5避免卡门涡诱发的共振

5.2.6避免水泵工况导叶小开度振动

5.3 本章小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献