蓄能机组水轮机工况启动过程稳定性机理研究

作为对抽蓄机组全特性曲线中不稳定特性的研究，本课题将针对水泵水轮机的水轮机工况启动过程的不稳定现象，特别是"S"型曲线附近的内部流动机理开展工作：1）针对现有抽水蓄能电站，开展模型试验和原型机监测（包括不同步导叶装置的使用和未使用两种情况）和内部流场PIV实验，2）针对全特性曲线中的水轮机工况的启动过程（包括"S"不稳定区）开展模型和原型机的典型工况的稳态和暂态非定常数值模拟，并对比实测结果，通过发展适于水泵水轮机中暂态非定常旋转流动湍流模型的研究完善数值计算；在此基础上，通过暂态非定常涡动力学分析等手段对计算结果进行分析，建立瞬态过程中（特别是运行通过S不稳定区的过程中）涡动力学与宏观动力学特征量的演化规律；探讨各种典型工况下的内部流动机理，特别是不同步导叶装置对不稳定区的改善作用，确定影响因素，优化流动部件的水力设计，消除S不稳定区，并探讨原型机和模型机的比尺效应规律。

本项目针对水泵水轮机的水轮机工况启动过程"S"型区域附近的内部流动机理，分别进行了下列研究：.1）模型机特性、PIV及原型机监测实验；.2）水轮机工况小流量及启动过程数值模拟；.3）机组暂态非定常流动机理分析；.4）水力部件优化设计。.项目任务书的研究内容已基本完成，同时根据项目进展及国际最新研究成果，对原计划进行了修订和补充：数值计算方法方面，采用了非线性v2-f湍流模型及自主开发的非线性PANS模型，取代了原来计划中的DES方法；流动机理分析方面，增加了对湍动能输运方程中湍动能各产生项的分析。具体说明见报告正文。.本项目的主要研究成果如下：.1）通过模型试验、流场动态观测、PIV测试等研究手段对机组内部流动进行了观测后发现：转轮内部的失速涡流动演化的主频为叶片通过频率；活动导叶吸力面流场的变化周期与叶片通过频率相关；.2）开发了基于 RNG k-ε的非线性 PANS 湍流模型；数值计算中，利用非线性模型v2-f 和PANS成功预测了机组内部复杂流动。研究发现，转轮内部失速涡是导致机组“S”特性产生的主要原因，也是机组启动过程并网困难的主要原因；.3）对采用同步导叶及非同步导叶（MGV）的机组内部流动分析发现，采用MGV后流动均匀性的破坏及无叶区高速旋转的水环消失可能是导致无叶区压力脉动提高的主要原因；.4）通过对原型机和模型机的比尺效应规律研究发现，两者压力脉动的主频与幅值在 “S”区沿开度线有相同的变化规律，但在飞逸线以下区域工况，两者内部流场不符合流动相似性，进而诱发了压力脉动次频的不同；.5）建立了基于湍动能输运方程的水泵水轮机“S”区内部流场的流动稳定性分析方法；.6）通过优化导叶基圆与转轮入口直径之比，能明显提高机组运行效率，并有可能降低无叶区压力脉动；通过对转轮叶片改型、降低叶片数目优化了转轮性能，削弱了“S”特性。