水泵水輪機(jī)“S”區(qū)內(nèi)流機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、水泵水輪機(jī)作為抽水蓄能電站的核心部件，是我國(guó)抽蓄電站國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中的關(guān)鍵技術(shù)。在水泵水輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)時(shí)存在較大的不穩(wěn)定問題，其主要原因就是機(jī)組的特性曲線呈現(xiàn)“S”形狀，這種特性陸陸續(xù)續(xù)在多個(gè)電站反映出來，給電站的生產(chǎn)造成了很大的困難。本論文針對(duì)水泵水輪機(jī)的“S”特性問題，重點(diǎn)圍繞現(xiàn)有機(jī)組“S”特性曲線的數(shù)值預(yù)測(cè)方法、“S”特性的形成機(jī)理和“S”特性曲線的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)方面開展了相應(yīng)的研究工作，內(nèi)容如下:
　　(1

2、)首先，“S”特性曲線上的工況點(diǎn)是由水輪機(jī)工況、水輪機(jī)制動(dòng)工況和反水泵工況組成的，是典型的非設(shè)計(jì)工況，在這些工況點(diǎn)的流動(dòng)是目前的雙方程渦粘性湍流模型所不能準(zhǔn)確求解的。本文借鑒了二階矩模型的優(yōu)點(diǎn)，在York等人的工作基礎(chǔ)上，采用對(duì)顯式代數(shù)應(yīng)力模型EASM模型進(jìn)行線性化處理的方法修改了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，并對(duì)修改的模型進(jìn)行了典型算例的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明新模型可以更加準(zhǔn)確地計(jì)算大曲率流動(dòng)特征。
　　(2)基于上述新模型，采用全三維全流道的湍

3、流穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法對(duì)“S”特性曲線的工況點(diǎn)進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明仿真曲線與模型試驗(yàn)曲線吻合良好。進(jìn)一步地對(duì)“S”特性曲線的典型工況點(diǎn)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析，初步解釋了“S”特性曲線形成的機(jī)理為活動(dòng)導(dǎo)葉出口和轉(zhuǎn)輪進(jìn)口之間的無(wú)葉區(qū)內(nèi)“擋水環(huán)”的阻塞作用。
　　(3)為從瞬態(tài)過程真實(shí)流動(dòng)的角度進(jìn)一步解釋“S”特性曲線對(duì)瞬態(tài)過程不穩(wěn)定特性的影響，基于動(dòng)態(tài)滑移面法建立了機(jī)組飛逸過程的三維瞬態(tài)流動(dòng)的數(shù)值模擬方法，并對(duì)某電站水泵水輪機(jī)真機(jī)的飛逸

4、過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果顯示數(shù)值方法可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)飛逸過程的轉(zhuǎn)速變化曲線。進(jìn)一步對(duì)人為假設(shè)的水頭條件下對(duì)飛逸過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了轉(zhuǎn)速的波動(dòng)曲線，進(jìn)一步的流場(chǎng)的分析揭示了轉(zhuǎn)速的波動(dòng)原因?yàn)闊o(wú)葉區(qū)的動(dòng)態(tài)失速造成的。
　　(4)從水力設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)“S”特性曲線的各個(gè)工況點(diǎn)的機(jī)組各部件的水力損失進(jìn)行分析，得到轉(zhuǎn)輪是導(dǎo)致水泵水輪機(jī)“S”特性的主要原因;進(jìn)而對(duì)比了水泵水輪機(jī)“S”曲線典型工況點(diǎn)的環(huán)量分布規(guī)律，得到改進(jìn)“S”特性方