异常低水头下水泵水轮机压力脉动特性分析
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。
低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动分析与研究 邵冰啸
低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动分析与研究邵冰啸摘要:为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟．在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律．针对混流式水轮机的转轮结构、受力特点及转轮各部分网格的自动划分等方面进行了简要分析，阐述了可实现水轮机转轮结构计算与优化设计的有限元方法及改良复合形法。
在不改变叶片型线的情况下合理地选择上冠和下环的尺寸，从而改善转轮各部分的应力分布，求得最优的转轮结构。
关键词:水泵水轮机异常低水头压力脉动随着大型水泵水轮机组的广泛运用,人们对如何提高水泵水轮机的效率、稳定性和抗空化性的问题越来越关注，目前,水轮机的效率和抗空蚀的性能都得到了很大的提高，而随着机组容量和水头的增加，水泵水轮机组运行的不稳定性问题越来越严重,机组的振动直接影响电站正常的运行和厂房的安全．机械振动、电磁振动和水力振动等都会造成机组振动.而压力脉动是造成水泵水轮机机组振动的主要原因之一,它产生于机组运行过程的非定常流场.水轮机在低负荷运行状态下存在运行不稳定的情况,运行工况偏离最优工况很远,此时导叶进口水流是以一定的角度进入导叶,内部流动状态随之变坏,使导叶后出现旋涡、脱流等不稳定现象,引起压力脉动，使水泵水轮机本体振动。
1、计算模型1.1物理模型图1为以国内某抽蓄电站模型水泵水轮机为对象建立的全流道几何模型,其模型机的几何参数:转轮进口直径D1=473.5 mm,转轮出口直径D2=300.0 mm,转轮叶片数Zb=9,固定导叶数Zc=20,活动导叶数Z0=20,导叶高度b0=66.72 mm,蜗壳包角343°。
图1模型水轮机的三维实体模型将水泵水轮机三维全流道划分为蜗壳与固定导叶区、活动导叶区、转轮及尾水管4个计算域．网格划分过程中,发现隔舌附近结构复杂,因此蜗壳与固定导叶区域采用适应性强的非结构化四面体网格,其他区域采用结构化网格进行划分。
水泵水轮机泵工况的压力脉动特性
调查研究157产 城水泵水轮机泵工况的压力脉动特性郭旭巍天津市水利勘测设计院，天津300204摘要：随着经济和各行各业的快速发展，为保障国家电网安全、经济运行，电网系统需要一定比例的储能设备来改善各种类型电站的运行条件。
在此背景下，抽水蓄能电站技术作为目前最为成熟的大规模储能技术得到迅猛发展。
水泵水轮机是抽水蓄能电站能量转换的核心部件，其高效、稳定运行对提高能源利用率、保障电网安全运行具有重要意义。
关键词：水泵水轮机；转轮；水轮机；压力脉动为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性，在试验验证的基础上，通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况，尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍；在最优工况和大流量工况下，尾水涡带变为管状，转轮出口压力脉动幅值变小，在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动；大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反，尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域。
1 模型的建立1.1 研究背景水泵水轮机在“S”特性区运行时，容易直接由飞逸工况进入反水泵工况，此时转轮上存在正反方向的转矩，机组结构上将会受到强烈冲击载荷的作用，易造成部件的损坏；此外转轮-流体的相互作用将会引起剧烈的压力脉动和机械振动，进而导致机组运行的困难。
目前，国内外诸多学者针对水泵水轮机“S”特性区流场结构、力特性和压力脉动特性已做了一些研究。
内部流动方面，ChristianWidmer运用数值模拟和试验研究对比分析的方法，发现水泵水轮机活动导叶流道内对流加速作用是导致漩涡流和旋转失速的主要原因。
HasmatuchiVlad通过模型试验，对机组启动过程中“S”特性的内流状况进行了分析，指出“S”形区域的主要诱因是活动导叶后无叶区存在随转轮旋转的亚音速失速流动堵塞了转轮进口，最终产生水力不稳定性和结构振动。
就“S”特性、宏观参数的预测，以及采用预开导叶法（MGV ）改善“S”特性的作用机理等问题做了深入探讨。
低水头低负荷对水轮机影响分析
低水头低负荷对水轮机影响分析汤鸿【摘要】白市水电厂自投产以来,机组长期处于低水头、低负荷下运行.通过对此工况下转轮的过流分析,重点对水轮机转轮的空蚀及振动进行了探讨,并结合白市水电厂现场实际运行情况进行了总结.【期刊名称】《水电站机电技术》【年(卷),期】2015(038)008【总页数】4页(P1-3,35)【关键词】水轮机;低水头;低负荷;分析【作者】汤鸿【作者单位】湖南五凌电力工程有限公司,湖南长沙 410004【正文语种】中文【中图分类】TK730.7白市水电厂装机3台型号为HL(PO55)-LJ-630混流式水轮发电机组，单机容量140MW，总装机容量420MW，电站于2013年4月投产发电，水库蓄水采用分期蓄水方案，第一期蓄水至291m，第二期由291 m蓄水至正常蓄水300 m。
一期蓄水至291m后，因二期蓄水条件暂不具备，库水位不能超过291m。
截止2014年6月，机组运行的上游0水位区间保持在EL.289.5~291m以内。
2.1设计参数正常蓄水位EL.300.0m死水位EL.294.0m最大水头max53.20m额定水头r44.0m最小水头min39.0m机组导水机构中心高程247.5m2.2实际运行参数蓄水水位EL.289.5m～291.0m尾水允许最低水位EL.247.7m（主机厂家核算）毛＝（289.5～291）～247.7＝41.8～43.3m工作净水头净：净＝（41.8～43.3）-1＝40.8~42.3m，净＞39m，满足设计最小水头。
（注：净水头净按毛水头毛-Δ=1m水头计算）根据水轮机特性曲线，上游水库在291m水位左右运行时，机组最大出力约为额定出力的90%。
在此水头条件下，白市电站枯水期长期保持30MW单机负荷运行，丰水期满发3台机组，单机约120MW左右运行。
机组长期在低水头、低负荷的运行状况下对电站的出力、发电量及运行费用等水利综合利用效益产生重大影响，更严重的是可能危及到电站设备的安全。
水泵水轮机转轮动特性分析研究
式中： p s —静体力， f —位移，—质量密度，v—阻尼系数。
d2 f v d f 2 dt dt
(2)
f N
(3) (4)
、 分别表示节点位移速度和加速度向量。 式中 按照虚功原理，可移置得到等效节点载荷为 c F v N T pdV Fs m
按 上 面 的 定 义 ， 对 给 定 的 节 径 数 ， 只 要 满 足 在 以 扇 形 区 较 隔 开 的 点 处 的 DOF 按 COS （ND*THETA）变化，则沿周向有 0，6，12，……，6n 个波形的模态。 4 力学模型以及边界条件 转轮的动态特性分析模型有两种选取方法（如果采用 ANSYS 软件完成），一种为：取一个完整的 转轮作为分析计算模型，如图 3 所示；另一种为：仅选取包含一个完整叶片在内的 2 / n （n 为叶片的 个数）扇形区域的上冠、下环为一个分析模型，如图 4 所示。 在单元选取上，可选取每个节点具有 3 个自由度的三维块体单元，但是值得注意的是：如果采用对 称循环结构的方法，只能选取 4 节点四面体单元或 8 节点六面体单元；同时还要保证上冠、下环切开断 面处相应节点的 R 和 Z 坐标一致。 边界条件：在转轮与主轴把合螺栓处，约束相应节点的自由度。
T V
(8)
表示单元的阻尼矩阵。 于是，有动载荷作用的单元节点平衡方程可表示成
F k c m s
(9)
0 K M 式中[K]、[M]表示整个结构的刚度矩阵和质量矩阵，而 现在用以表示结构的节点位移向量。
水泵水轮机转轮动态特性分析研究
吕桂萍 （哈尔滨大电机研究所 哈尔滨 150040） [摘 要] 本文主要介绍了水泵水轮机转轮自振频率分析的力学模型和边界条件，同时给出了水泵水轮机转轮 在水中的固有频率下降系数；给出了对称循环结构和节径的概念；提出了转轮在水中的固有频率应避开的激 振频率。 [关键词] 转轮 自振频率 对称循环结构 节径
水泵水轮机在水轮机制动工况下压力脉动的模型试验研究
值 比正常 工作 的水轮 机 工况 要 大很 多 ，影 响机组 的安 全稳 定 运行 ［２ Ｊ。作 为衡 量水力 稳 定性 的重 要指 标压 力 脉动特性逐渐为人们所熟知 ，通过水泵水轮机模型在
度间隔为４ｍｍ。试验时定测功机转速 ，通过调节水泵 与阀门的大小来改变工况 。试验从各导叶开度下 的飞 逸工况点开始 ，逐渐减小单位流量 ，直至接近零流量 ，
大 电 机 技 术
４１
水泵水 轮机在水轮机 制动工 况下 压 力脉 动 的模 型 试 验 研 究
刘文杰 ，秦坤涛 ，徐用 良，王 磊 （哈 尔滨电机厂有 限责任公司，哈 尔滨 １５００４０）
［摘 要］ 本 文对水泵水轮机模型装置 在水 轮机制动工况下 的压力 脉动进行 了试验研究 ，得 到了不 同导叶开
度和不 同测点位置 ，压力脉动信号在时域 和频 域 内随流量 的变化规 律。此外 ，对无 叶区压力脉 动信 号进行了
细致的分析 ，发现在导叶开度 Ａ０＝２０－－－４０ｍｍ 的范 围内，该测点位置在小流量 区域存在大小约 ０．５～０．７倍转频 的
特殊频率 ，这种频率能影响压力脉动 的时频特性 。
［关键 词］ 水泵水轮机 ；水轮机制动 ；压力脉 动 ；模 型试验
［００图分类号］ＴＫ７３４ ［文献标 识码 ］Ａ ［文 章编 号］１０００．３９８３（２０１６）０３．００４１．０５
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｕｌｓａｔｉｏｎ Ｍ ｏｄｅｌ Ｔｅｓｔ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｍｐ－Ｔｕｒｂｉｎｅ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ．Ｂｒａｋｅ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｍｐ ｔｕｒｂｉｎｅ ｍ ｏｄｅｌ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ｍ ｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ
浅谈水泵水轮机内部流动及水力特性
浅谈水泵水轮机内部流动及水力特性作者：张志涛来源：《农家科技》2020年第03期摘要：水泵是工业生产中最常用的供排水设备之一，其中，离心式水泵的应用范围尤为广泛，离心式水泵主要由泵壳、泵轴、轴承、叶轮、叶轮口环、轴密封及轴向心力平衡装置组成，离心泵在工作过程中通过叶轮旋转让水产生离心力，从而完成供排水活动。
本文对水泵水轮机具体的应用原理进行了介绍，深入分析了水泵水轮机的水力特性与内部流动特性。
关键词：水力特性;内部流动;水泵水轮机在生产活动中，应用最为广泛的水泵类型是离心式水泵，并且随着生产规模的进一步扩大，生产活动对水泵的性能和运行状态提出了更高的要求，因此，企业需要重视水泵的运行性能和运行可靠性，同时重视离心泵对整个生产系统的重要作用，确保水泵稳定运行，在对离心泵进行日常检修的过程中，必须重视离心泵在日常运行过程中出现的多种问题，进而采取有效措施排除故障。
该技术虽然能够应对水泵水轮机在应用初期阶段的不足，但是在水泵水轮机的生产设计方面尚未达到完全的国有化水平一、水泵水轮机概述水泵水輪机属于动力设备的一种，其作用是抽水蓄能，在具体应用过程中水泵水轮机主要会呈现出两种运行状态，将在发挥泵的功能时轮呈正向旋转，在发挥水轮机功能时转轮呈反向旋转。
根据当前水泵水轮机的设计思路可以发现，其内部关键性部件与结构往往具有比较大的相似性，增加水泵水轮机单机容量与提升转速比是未来一段时间内水泵水轮机设备主要的发展方向。
根据水流途径对水泵水轮机的类型进行划分，其具体类型主要包含贯流式、斜流式以及混流式。
其中设计结构最为简单的水泵水轮机为混流式，能够在与多种水头共同搭配的情况下进行运作，该类型的水泵水轮机的应用范围也最为广泛。
斜流式水泵水轮机生产成本偏高、设计相对复杂，但是工作效率比较高，由于机械内部结构比较特殊，其应用场景也比较局限。
贯流式水泵水轮机是当前我国最为先进的一种水泵水轮机，其功能强大并且单机容量高，主要应用于潮汐电站的抽水蓄能中。
不同水头下混流式水轮机尾水管内流动特性分析
性ꎬ研究结果表明ꎬ尾水管内的涡带是引起水轮机内低
水泵水轮机尾水管涡带进行了仿真计算ꎬ通过计算发
频压力脉动的主要因素ꎮ 王磊等基于气泡动力学的两
现ꎬ尾水管涡带的产生与直锥段的旋涡流动密切相关ꎬ
相流方法ꎬ通过对某混流式模型水轮机进行非定常空
而且受 流 量、 转 轮 转 速 以 及 空 化 系 数 的 影 响 较 大ꎮ
中图法分类号:ＴＶ７３４. １ 文献标志码: Ａ
工况下尾水管内部无涡流存在 [１０] ꎮ 王剑鹏主要采用
１ 研究背景
近年来ꎬ由于水轮发电机组运行的不稳定性ꎬ导致
水电站因不能满负荷发电而影响到电站正常运行的现
象日益增多ꎬ其中ꎬ尾水管涡带的产生对不稳定性的影
响较为显著
[１ － ３]
ＤＯＩ:１０. １６２３２ / ｊ. ｃｎｋｉ. １００１ － ４１７９. ２０１９. １２. ０３２
重点科研基金资助项目( Ｚ１５１０４１７ ) ꎻ四川省教育厅科研项目资助( 重点项目) (１７２４７０)
作者简介:史广泰ꎬ男ꎬ副教授ꎬ 主要从事流体机械内部流动理论及设计方法的研究工作ꎮ Ｅ － ｍａｉｌ:ｓｈｉｇｕａｎｇｔａｉ＿１９８５＠ １２６. ｃｏｍ
１７８
人 民 长 江
２０１９ 年
第 ５０ 卷 第 １２ 期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２０１９ 年１２ 月
人 民 长 江
Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ
Ｖｏｌ. ５０ꎬＮｏ. １２
Ｄｅｃ. ꎬ ２０１９
文章编号:１００１ － ４１７９(２０１９)１２ － ０１７７ － ０５
不同水头下混流式水轮机尾水管内流动特性分析
史 广 泰１ꎬ２ ꎬ李 金１ꎬ２ ꎬ徐 清 清１ꎬ２ ꎬ朱 玉 枝１ꎬ２
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异常低水头下水泵水轮机压力脉动特性分析
发表时间：2017-11-16T20:12:33.063Z 来源：《电力设备》2017年第20期作者：郜斌[导读] 摘要：为了研究水泵水轮机在异常低水头下内部流动的压力脉动特性，以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象，基于大涡模拟方法，对模型机组进行全流道非定常数值计算。
（江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏 213300）
摘要：为了研究水泵水轮机在异常低水头下内部流动的压力脉动特性，以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象，基于大涡模拟方法，对模型机组进行全流道非定常数值计算。
结合试验数据，分析异常低水头下流道内不同位置处压力脉动特征和流态特征，讨论流量变化对机组压力脉动特性的影响。
关键词：水泵水轮机；异常低水头；内部流动
引言
从相关研究来看，针对异常低水头下压力脉动特性的研究还相对较少。
因此，本文基于大涡模拟思想，对水泵水轮机异常低水头工况进行了全流道非定常数值计算，并在此基础上对各过流部件压力脉动的特征及其内在诱发机理进行了研究。
1数值计算方法
1.1 物理模型及网格划分
以某抽蓄电站模型水泵水轮机为研究对象，全流道几何模型如图1所示。