水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性仿真分析研究

合集下载

水泵水轮机内部压力脉动特性研究

１倍叶倍频，且该处的监测点的压力脉动频率主要由于转轮与活动导叶之间的动静干涉产生；在转
轮内水轮机工况时的压力脉动频率呈现多样性，水泵工况时则都以转频的倍数为主；尾水管直锥段
的主频率在最优工况下等于１倍叶倍频，振动幅值较小。
Ｉｔｃａｎｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｔｈａｔ：ｉｎ
ｔｈｅｈｅａｄｃｏｖｅｒａｒｅａｏｆｔｈｅｕｎｉｔｓ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｉＳｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｏｂｖｉｏｕｓａｎｄｕｎｄｅｒｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｍａｉｎｌｙｔｗｉｃｅａｓｍｕｃｈａｓｔｈｅｌｅａｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｐｕｍｐｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｍａｉｎｌｙｏｎｅｔｉｍｅａｓｍｕｃｈａｓｔｈｅｌｅａｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｆｏｒｔｈｅｂｌａｄｅｌｅｓｓａｒｅａｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｕｎｎｅｒａｎｄｔｈｅｇｕｉｄｅｖａｎｅ，ｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｄｅｒｂｏｔｈｐｕｍｐｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｔｕｒｂｉｎｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｅｓｏｎｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｌｅａｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎ

水泵水轮机过渡过程压力脉动与转轮受力突变机理研究

水泵水轮机过渡过程压力脉动与转轮受力突变机理研究
水泵水轮机是一种常见的水力发电设备，其过渡过程中的压力脉动和转轮受力突变是影响其运行稳定性的重要因素。

本文旨在研究水泵水轮机过渡过程中压力脉动和转轮受力突变的机理，为提高水泵水轮机的运行稳定性提供理论支持。

首先，我们需要了解水泵水轮机的工作原理。

水泵水轮机是利用水流的动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能的装置。

在过渡过程中，由于水流量和水头等工况参数的变化，会引起压力脉动和转轮受力突变。

其次，我们需要分析压力脉动和转轮受力突变的产生原因。

在水泵水轮机过渡过程中，由于水流量等工况参数的变化，导致进口流道和出口流道之间的压差发生变化，从而产生压力脉动。

同时，由于转子受力突变会导致转子振动，进而引起机组振动和噪声等问题。

接下来，我们需要探讨如何减少压力脉动和转轮受力突变。

一方面，可以通过改善水泵水轮机的设计和调整运行参数来减少压力脉动和转轮受力突变。

例如，在设计中采用流场优化技术、增加导叶数量等方式来改善水泵水轮机的流态特性；在运行中采用适当的调节措施来控制水流量等工况参数。

另一方面，可以通过安装振动和噪声监测系统等手段来实时监测水泵水轮机的运行状态，及时发现问题并采取措施加以解决。

综上所述，水泵水轮机过渡过程中的压力脉动和转轮受力突变是影响其运行稳定性的重要因素。

通过深入研究其机理，并采取相应的措施进行优化和监测，可以有效提高水泵水轮机的运行稳定性和安全性，为我国的水力发电事业做出贡献。

水轮机调节系统仿真研究及参数分析

水轮机调节系统的稳定性和动态特性品质，取决于调节对象和调速器的特性，在电站设计阶段，就应该考虑到。对于已运行的电站，Tw、Ta 和调速器结构都已确定，主要依靠调整校正装置参数来改善调节系统的稳定性和动态特性品质。一般希望寻找调节器参数的最佳整定，以使水轮机调节系统过渡过程达到最佳。 3.1 调节对象参数分析
T!
# #
n
=Tw
#
PID:
b T #
## t a "
=2~2.5Tw
T#
# #
d
=1~1.5Tw
#
T##
$p
=5Tw
在实际操作中，我们更常用斯坦因的推荐值作为初始整
定依据，通过空载频率阶跃扰动，决定一组调节过程快，超调
量不很大的参数，同时保证空载频率摆动符合规程要求，再通
过甩负荷验证。
3 水轮机调节系统参数分析
SHEN Zhong- hua (Zhejiang Jiangshan Xiakou Reservoir Administration Bureau，Jiangshan Zhejiang 324100,China)
Abs tract: Conditioning system by changing the parameters, an analysis of its control over the whole turbine regulating system dynamic performance effects of parameters for performance improvement and optimization, further conditioning system to achieve the best control, with a certain degree of guidance and practical value Key words : turbine；conditioning systems,；parameter

水轮发动机参数模拟与仿真研究

水轮发动机参数模拟与仿真研究水轮发动机是利用水的动能驱动涡轮旋转，并产生电力的一种装置，是水电站的核心设备之一。

为了提高水轮发动机的效率和性能，参数模拟与仿真研究成为一项重要的课题。

本文将深入探讨水轮发动机参数模拟与仿真研究的重要性和方法。

一、水轮发动机的工作原理水轮发动机是将水流通过导水管引导到水轮的叶片上，水的冲击力使得水轮转动，从而带动轴上的发电机工作。

在水力资源丰富的地区，水轮发电成为重要的清洁能源利用方式之一。

二、参数模拟的必要性参数模拟是指通过对水轮发动机内部各个参数进行数据采集和分析，以便优化和改进设计。

通过参数模拟，可以实现对水轮发动机工作过程的精确模拟，全面了解各项指标的变化规律，为进一步提高水轮发动机的效率提供数据支持。

三、仿真研究的重要性仿真研究是通过运用数学建模和计算机模拟等技术手段，对水轮发动机的工作情况进行模拟和分析。

通过对水轮发动机进行仿真研究，可以预测不同参数对水轮发动机性能的影响，并对水轮发动机的性能进行评估，为水轮发动机的优化设计提供参考。

四、参数模拟与仿真研究方法1. 数据采集：通过传感器对水轮发动机内部各项参数进行实时采集，并形成数据集。

2. 数据处理：对数据集进行处理和分析，建立相应的数学模型，并进行计算。

3. 模拟验证：利用计算机仿真软件对水轮发动机的工作进行模拟，并与实际数据进行验证，确保仿真结果的准确性。

五、参数模拟与仿真研究的应用1. 优化设计：通过参数模拟和仿真研究结果，对水轮发动机的设计进行优化，提高其效率和性能。

2. 故障诊断：利用仿真技术对水轮发动机可能存在的故障进行模拟分析，提前预警并进行维护。

3. 运行管理：结合参数模拟和仿真研究成果，实现对水轮发动机的精准监测和运行管理，保障其安全可靠运行。

六、结语水轮发动机参数模拟与仿真研究对于提高水轮发动机的效率和性能具有重要意义，是水电行业发展的必经之路。

随着科技的不断发展，相信水轮发动机参数模拟与仿真研究将为清洁能源的可持续发展贡献更多的力量。

水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

ｌ６７４ｉ
，，
Ｉ＿＇＿ ∞ｒ一谎＿■≯ ■
一。一～
Ｅ｝．Ｆ
Ｇ
；
－＿一一＿＿一
Ｈ、
＼
（ｂ）尾水管
Ｌ冠
进
进门出ｕ
Ｐｐ４
环
２３唧４环ｒ
（ｃ）转轮叶片表面
２研究对象
研究对象为某抽水蓄能电站水泵水轮机模型，为立轴单级的混流式水泵水轮机．原型机额定水头为１９５ｍ，额定转速为２５０ｒ／ｍｉｎ，水轮机工况额定功率为３０６ＭＷ，水轮机工况最大毛水头为２１７ｍ．图１为水泵水轮机三维模型，计算区域包括蜗壳、导叶、转轮和尾水管４个部分．模型水轮机为９叶片水轮机，有２０个固定导叶、２０个活动导叶．转轮进出口直径为０．４４１９５ｍ和０．３００Ｏ０ｍ，导叶高度为６６．７２ｍｍ，导叶分布圆直径为０．５２３７０ｍ．
国内外学者针对水泵水轮机压力脉动开展了一系列研究．李仁年等对水泵水轮机在增负荷过程中尾水管内部流场进行了分析；ＺＯＢＥＩＲＩ＿６分析
了动静干扰对水泵水轮机无叶区压力脉动的影响；ＳＵＮ等分析了原型水泵水轮机在泵工况下的压力脉动特征；杨建东等对水泵水轮机的飞逸特性进行了研究；ＨＡＳＭＡＴＵＣＨＩ等通过模型试验分析了水泵水轮机在非设计工况下的压力脉动；ＲＡＮ等 ¨ 分析了水泵水轮机在大流量区的压力脉动规律；ＧＵＯ等 ¨ 预测了水泵水轮机在泵工况下压力脉动的传播；ＸＩＡＯ等 ¨ 对不同步导叶作用下水泵水轮机的压力脉动进行了预测；ＫＩＲＳＣＨＮＥＲ等采用试验方法研究了尾水涡带引起压力脉动的机理．

水泵水轮机的流场模拟及性能分析

水泵水轮机的流场模拟及性能分析水泵水轮机是利用水流对水轮机叶片的推力来转动轴的设备，也是水力发电站中一个重要的组成部分。

随着数值模拟技术和计算机处理能力的提高，目前越来越多的工程领域在设计开发过程中采用了计算流体力学（CFD）技术来对流场进行模拟和分析。

本文将介绍水泵水轮机的流场模拟及性能分析，希望有助于读者对该领域有进一步的了解。

1. 水泵水轮机的基本原理水泵水轮机是由水轮机和水泵两个组成部分组合而成的设备。

水轮机是将水的动能转换为机械能的设备，可用于发电或提供动力。

水泵则是将机械能转化为水的动能，将水从低处输送到高处。

水泵水轮机在水力发电站中的作用是将水的能量转换为机械能，以驱动发电机发电。

2. 水泵水轮机的流场模拟在水泵水轮机的设计过程中，优化流场是一个很关键的环节。

借助CFD技术，可以模拟水泵水轮机在不同工况下的流场特征和流量分布等参数。

这些模拟结果可以用来指导设计优化和性能预测。

2.1 模拟方法通常，水泵水轮机模拟采用的方法是数值模拟。

数值模拟分为两个主要步骤：离散化和求解。

离散化是指将连续的流场离散化为小的单元，将研究对象看作由许多小的单元组成的整体。

而求解则是在每个单元中求解出湍流流动中的方程组，最终得到整个流场的性质。

2.2 模拟结果通过模拟，可以得到水泵水轮机的流量、速度、压力分布以及水力损失等参数。

这些参数是优化设计和性能预测所必需的，可以用来评估水泵水轮机的性能，指导后续改进。

3. 水泵水轮机的性能分析水泵水轮机的性能是指它在不同条件下的输出功率和效率等参数。

通过实验和数值模拟可以得到水泵水轮机的性能参数，评估其性能并改进其设计。

3.1 性能参数水泵水轮机的性能参数包括流量、扬程、效率、功率等。

流量是指单位时间内通过水泵水轮机的水量，扬程则是从低处输送至高处时，在水泵水轮机内产生的流动压力差。

而效率则是将水的能量转化为机械能的比例。

3.2 性能分析性能分析通常是通过实验和数值模拟方法来进行的。

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性摘要：可逆式水泵水轮机设计需要兼顾水轮机和水泵两种工况。

水泵工况属于减速流动，相较于水轮机工况更容易发生流动分离，在水泵水轮机设计中，对水泵工况的各项性能设计指标考核更为严格。

水泵水轮机泵工况的流量扬程特性曲线在高扬程小流量下通常存在局部曲线斜率为正值的不稳定区域，称为驼峰区。

在抽水蓄能电站实际运行中，驼峰区难以避免，其不仅影响水泵水轮机泵工况高扬程条件下的启动和运行，同时还会产生较强的振动、噪声、功率摆动、水压波动等不稳定现象，直接影响机组安全稳定运行。

鉴于此，本文对水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性进行分析，以供参考。

关键词：水泵水轮机;水泵工况;压力脉动;旋转失速;转轮受力引言本文采用SAS－SST湍流模型对某模型水泵水轮机在非设计泵工况的流态进行了三维非定常数值模拟，分析不同工况下流动特性对压力脉动和转轮受力的影响。

1数学模型1.1计算体型和网格划分计算区域包括蜗壳、导叶、水轮机和尾水管。

考虑到在非设计工况下，尾水管内回流可能会对边界条件给定产生影响，对尾水管进口段适度延长。

1.2网格及时间步长在网格划分时，蜗壳采用四面体网格;导叶区采用楔形网格;转轮和尾水管采用六面体网格，并对活动导叶和转轮叶片设置边界层网格，使近壁面Y+小于10。

图1展示了额定工况下水泵扬程随网格数量的变化情况，当网格数量大于450万时，计算所得扬程变化小于1%。

考虑到计算时间和流场结构的解析精度，最终选取总网格单元数为882万的划分方式。

图1网格敏感性分析2机组能量特性图2为活动导叶相对开度随流量系数Cφ的变化规律。

其中，相对开度计算公式为式中α———活动导叶开度，αmax———最大开度图2活动导叶相对开度随流量系数的变化曲线在上述导叶开度规律下，图2对比了数值模拟与试验测试的机组能量特性曲线，即不同流量系数Cφ下的扬程系数Cψ与效率η变化曲线。

图3扬程系数与效率随流量系数的变化曲线从图3可以看出，CFD模拟得到的扬程系数与效率，相比于试验值，具有相同的变化趋势。

水泵水轮机“S”特性与改善研究

水泵水轮机“S”特性与改善研究水泵水轮机在运行过程之中具有“S”特性，因为在某些程度上水泵水轮机的安全稳定运行因素也存在着制约，所以为了促进我国抽水蓄能技术的发展，需要针对水泵水轮机“S”特性进行分析与研究，从而提出其相应的水泵水轮机“S”特性改善措施，这对于预测水泵水轮机“S”特性具有现实意义，是优化我国水利机械水平的重要体现。

标签：水利机械；水泵水轮机；特性水泵水轮机“S”特性主要体现在了工况并网启动、转速与定水头预测方法等多个方面，所以在明确其水泵水轮机“S”特性的基础之上，应该利用现有的数学计算模型来对水泵水轮机进行相应的预测，从而加强对于数学的修正，最大程度上降低数值预测方法的实际误差，利用空间曲面活动导叶等多种形式，对于目前水泵水轮机“S”特性进行相应的优化。

一、水泵水轮机“S”特性的具体体现水泵水轮机“S”特性是指在机组处于或者接近全特性“S”区运行过程之中，机组会存在相应的不稳定现象，所以在不稳定机组进行投产试运行的过程之中，水头较低空载运行时转速来回摆动，并且在一定程度上会出现并网困难、发电并网之后的逆功率不断跳机等现象，所以为了提升空载的稳定性，在机组甩负荷的基础之上而能够实现空载稳定运行的现象，就要针对水泵水轮机“S”特性进行改善。

根据压力原理以及研究表明，水泵水轮机“S”特性是由压力脉动所引起的，而压力脉动则是由于导叶与转轮之间的动静干涉所引起的，所以要在水泵水轮机空载运行时掌握好压力脉动幅值最大的位置，从而预开启导叶与转轮之间，才能够更为明确地探究水泵水轮机“S”特性。

目前所采取的改进方式比如非同步预开装置等[1]，都是利用导叶开度的变化进行优化，但是虽然能够在一定程度上缓解水泵水轮机“S”特性，但是与此同时其水轮机的摆度以及振动幅度也相对增大，噪音音量持续提升，能够帮助水泵水轮机“S”特性短时间的运行改善，所以如何在长期运行的基础之上，针对水泵水轮机“S”特性进行优化是目前水泵水轮机发展过程之中所必须明确的重要问题。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性
仿真分析研究
摘要：随着风力发电、太阳能、潮汐能等能源的逐渐发展，对于电网负荷能力与稳定性提出了更高的要求，而抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能。

因此其核心组件水泵水轮机的安全运行成为了重中之重，而压力脉动是其运行不稳定的重要原因。

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性，本文基于某水泵水轮机模型，利用 UG NX10.0 软件建立三维流域模型，并用 ICEM-CFD 软件对流域进行非结构化网格划分；应用 ANSYS-CFX 软件，对全流道在 10mm导叶开度下进行了多个工况点的数值模拟计算。

经分析，沿流动分布方向压力逐渐降低，活动导叶和转轮间的动静干涉对导叶后转轮前的压力脉动产生影响，峰值出现在9fn、18fn、27fn等处，与叶片数一致。

关键词：水泵水轮机，压力脉动。

1 前言
与其他储能方式相比，抽水蓄能是当今世界上技术最成熟、最经济的大规模储存电能方式。

作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能，从而起到提高供电质量、保证供电安全、降低污染等功能。

目前西方发达国家抽水蓄能电站建设较多，总装机比重在 3%-10%，我国仅为 2%左右[1,2]。

水泵水轮机是抽水蓄能机组的核心设备，其具有适用性强、性价比高等特点。

作为可以双向运行的水力机组，转轮正反向运转分别进行水泵工况及水轮机工况，其未来发展方向为高水头、大容量、高转速化，但随之伴随着不稳定，压力流量脉动、汽蚀等问题严重，故需要妥善分析解决[3]。

水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心，其稳定运行直接关系着机组寿命和电
站安全。

而由机组内部不稳定流动造成的水力振动，是机组不稳定运行的主要因
素和内在原因。

诸多电站不稳定运行的实例（如俄罗斯撒杨水电站和岩滩水电站），充分说明了水力振动对机组安全运行的重要性。

水力振动主要以压力脉动
的方式表现出来，当机组运行在非设计工况，如泵工况驼峰区、水轮机工况的 S 区、制动工况和返水泵工况等，因此对水泵水轮机压力脉动的分析掌握尤为重要。

2 数值模拟方案
本文选取10mm导叶开度时的水轮机工况点，采用 ANSYS CFX 对全流道内部
流场进行非定常计算，选取RNG 模型。

获得计算结果后，利用 CFX-POST 进行后
处理并分析。

2.1 边界条件设置
本文需要设置的边界条件有：进口压力、流量，出口压力以及转轮转速、交
界面等，边界条件具体信息如表1所示。

采用流量进口，进口压力1atm，出口为
压力出口，压力0Pa，残差收敛至10-4。

表1 计算工况点及相关条件
工况
点
1234
转速(r/min)
500.95
3387
500.4
2694
500.61
0608
380.47
0743
流量(kg/s)92.62776.04168.34171.03
6
2.2 动静界面设置
由于转轮转动，因此在导叶和转轮交界处以及转轮和尾水管交界处的网格会
出现相对运动，需要设置不同方式的交界面。

有下列几种界面连接方式，即None, Frozen rotor, Stage。

考虑到蜗壳和导叶之间不存在坐标系的改变，因
此选用 None。

而转轮与导叶及尾水管间为动静交界面，存在坐标系的改变，因
此交界面选取的是Frozen rotor，在进行非定常计算时采用 stage。

3 结果与分析
为了对水泵水轮机压力脉动进行研究，本文在蜗壳进口，导叶后转轮前以及
尾水管锥管段和肘管段，在相同过流断面上分别设置了对称位置的压力监测点，
通过非定常计算，得到计算结果，并通过 FFT 变换（快速傅里叶变换）把各监
测点的动态压力信号从时间域变换到频率域，同时在频率与主频间进行换算，将
频率无量纲化以进行分析，最终得到压力脉动幅值与主频间关系的频谱图，用它
描述信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系。

水泵水轮机运行过程中，转轮的受力直接影响机组的稳定运行，如图所示为
10mm导叶开度下导叶后转轮前的压力脉动特性。

如图1所示，a,b,c,d分别为表
1中的四组工况点，从图中可以看出，压力呈现周期性脉动，在一个旋转周期中
可以发现9个波峰与波谷，与叶片数相一致，这说明该区域压力的周期性变化与
转轮的叶片数直接相关，脉动频率与叶频和叶频的倍频相关，说明由叶片旋转所
导致的转轮与固定的活动导叶相交界区的动静干涉影响了该区域内部的压力脉动。

在9f n, 18f n,27f n等处皆出现峰值，但脉动幅值逐渐降低。

图1 导叶后转轮前压力脉动特性
4 结论
本文针对某水泵水轮机，基于N-S方程和RNG模型，利用ANSYS-CFX软件，
对10mm导叶开度下的4个工况点的进行了全流道数值模拟计算并将计算结果利
用CFX-Post进行了分析处理，对水泵水轮机工况下的压力脉动特性进行了分析。

对于导叶后转轮前的流动过程，由于转轮转动叶片旋转，导致转轮与固定的活动
导叶相交界区域的动静干涉的影响，在9f n、18f n、27f n等处皆出现峰值，脉动幅值逐渐降低，这说明周期性的压力脉动特性与叶片数有关，在进行设计加工时应
充分考量。

参考文献
[1]罗莎莎.国外抽水蓄能电站发展概况及相关启示[J],中外能源.2013,18：
26-29.
[2]Kong Y, Kong Z, Liu Z, et al. Pumped storage power stations in China: The past, the present, and the future[J]. Renewable &
Sustainable Energy Reviews, 2016, 71:720-731.
[3]赵万勇, 马达, 曾玲. 抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机发展现状与展望[J].甘肃科学学报, 2012, 24(2):101-103.。