低比轉(zhuǎn)速混流式水泵水輪機(jī)非同步導(dǎo)葉流動(dòng)穩(wěn)定性研究.pdf

1、當(dāng)今，工業(yè)用電需求逐步增大、電網(wǎng)容量不斷提高。在這樣雙重壓力之下促使巨型火電以及核電高速發(fā)展。然而由于巨型火電與核電機(jī)組不宜在變負(fù)荷和低負(fù)荷條件下運(yùn)行，建設(shè)抽水蓄能電站對電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷就成為了維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性、提高電能質(zhì)量的最優(yōu)解決方案，因此抽水蓄能電站的建設(shè)具有其難以替代的必要性。
　　 然而抽水蓄能電站中核心設(shè)備水泵水輪機(jī)由于運(yùn)行工況復(fù)雜多變，導(dǎo)致其穩(wěn)定性差。尤其是在水輪機(jī)工況下的“S”特性區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，最

2、終導(dǎo)致水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況低水頭啟動(dòng)并網(wǎng)時(shí)發(fā)生困難。當(dāng)前為解決此類問題所采取的最主要的方法是采用兩個(gè)或多個(gè)對稱導(dǎo)葉預(yù)開啟的方式以增加流量，從而提高啟動(dòng)穩(wěn)定性。但是這種預(yù)開導(dǎo)葉的方法破壞了轉(zhuǎn)輪室的水力平衡,導(dǎo)致機(jī)組的噪聲與振動(dòng)明顯增加，且對非同步開啟的導(dǎo)葉的強(qiáng)度也有了更高的要求。因此，對非同步導(dǎo)葉投入時(shí)“S”形區(qū)附近工況點(diǎn)雙列葉柵及轉(zhuǎn)輪通道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的研究具有重要意義。雖然國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，但是早期的研究主要以模型試驗(yàn)或真

3、機(jī)測試為主，而近些年基于計(jì)算流體力學(xué)的分析往往因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量沒能達(dá)到計(jì)算要求，或者單流道計(jì)算不能反映出整個(gè)流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，從而沒能取得理想的仿真結(jié)果。
　　 針對以上問題，本文選擇四種不同導(dǎo)葉開啟方案進(jìn)行研究，先后對國內(nèi)某抽水蓄能電站低比轉(zhuǎn)速混流式模型水泵水輪機(jī)進(jìn)行幾何建模、劃分全流道結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、并借助計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX進(jìn)行全流道數(shù)值模擬。模擬選用能夠更好捕捉流動(dòng)分離細(xì)節(jié)的分離渦湍流方法（Detachededdysimula

4、tionmethod，即DES）進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步探索水泵水輪機(jī)在“S”形區(qū)域的內(nèi)特性與外特性，得到不同工況下主要流道內(nèi)部的流動(dòng)分離及壓力脈動(dòng)情況，并將所得到的內(nèi)部流動(dòng)特性同理論分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，外特性同實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，計(jì)算結(jié)果表明:
　　 1)通過控制壁面Y+值可以達(dá)到DES湍流方法直接求解壁面區(qū)域的目的，使計(jì)算結(jié)果可以達(dá)到很好的精度，轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)流場的計(jì)算結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合，外特性與實(shí)驗(yàn)值相吻合，仿真計(jì)算誤差小于3％;<

5、br>　　 2)隨著流量不斷減小，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口流動(dòng)分離現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，最終發(fā)展成漩渦對流道造成堵塞，堵塞還將引發(fā)轉(zhuǎn)輪與雙列葉柵之間的相互作用，導(dǎo)致整個(gè)流道內(nèi)大規(guī)模流動(dòng)不穩(wěn)定性的產(chǎn)生，數(shù)值模擬結(jié)果同基于速度三角形的理論分析相吻合。
　　 3)通過非同步導(dǎo)葉在三種不同開啟位置工況下水輪機(jī)工況下流量特性研究可以得出非同步導(dǎo)葉的使用基本消除“S”形區(qū)的結(jié)論;內(nèi)特性研究表明非同步導(dǎo)葉的使用將導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪內(nèi)形成兩高速流通道，致使轉(zhuǎn)輪內(nèi)受力不平衡。<