水泵水轮机典型不稳定区域迟滞效应诱发机理及控制策略研究

The typical unstable regions of pump-turbines include the hump region in pump mode and the S region in turbine mode. It is found that there exist hysteresis characteristics through model tests, which significantly enlarge the unstable regions and seriously restrict the stable and safe operation range of pump-turbines. In the present study, deep studies on mechanism and control strategy of hysteresis characteristics in the unstable regions will be carried out through experiments, numerical simulation, theoretical analysis (Euler theory and entropy production theory) and hydraulic optimization. Based on the experimental results, using the numerical simulation technology, adopting the entropy production theory, through the advanced signal processing method, the relation between unstable flows (flow separation, backflow, rotating stall, and hysteresis characteristics is analyzed, the evaluation of hysteresis loop size and the starting point is set up, and the strategies of improving and eliminating hysteresis characteristics is proposed. This study has an important theoretical value for understanding the instability of pump-turbine. It could provide new basis for the numerical simulation of shutdown and startup transient processes of pump-turbines, and give more comprehensive and accurate criterion to determine the hump margin in model acceptance test, which is significantly valuable in engineering application.

水泵水轮机典型不稳定区域包括水泵工况驼峰区和水轮机工况S区。本课题组通过模型试验研究发现上述区域存在迟滞效应，该效应大幅度地增大了不稳定区域，严重限制了水泵水轮机安全稳运行范围。本研究拟采用模型试验、理论分析（欧拉理论和熵产理论）、数值模拟以及水力优化相结合的方法对典型不稳定区迟滞效应诱发机理和控制策略进行深入的研究。根据试验研究结果，依靠数值模拟技术，采用熵产理论，应用先进时频分析方法着重探索迟滞效应的触发与回流、旋转失速等不良流动的之间的关系，揭示迟滞效应诱发机理，建立迟滞环大小和起始点评判依据，提出改善或消除迟滞效应的控制策略。本研究对深入理解水泵水轮机不稳定特性具有重要的基础理论研究价值，同时为水泵工况、水轮机工况启停等过渡过程数值模拟提供新的依据，为模型验收试验过程中驼峰裕度的确定提供更为全面和准确的判据，具有重大工程意义。

在双碳目标国家重大战略背景下，抽水蓄能机组在电网中削峰填谷的作用更加凸显，但水泵工况驼峰特性和水轮机工况S特性，以及这两种特性所伴随的迟滞效应成为了制约抽水蓄能机组发展的关键问题。依托水力发电设备国家重点实验室实验台，通过实验和数值模拟的方法研究了典型不稳定区域迟滞效应产生的机理，开展了深入的研究。主要研究内容为：（1）通过模型试验的方法，验证了水泵水轮机在不同活动导叶开口下存在驼峰特性迟滞效应及S区迟滞效应。基于两方程SST k-ω湍流模型，采用欧拉理论和水力损失分析方法分析驼峰区迟滞现象及S区迟滞效应诱发机理；（2）借助熵产理论，分析水泵水轮机典型不稳定区域迟滞效应诱发机理，为典型不稳定区域抑制提供了理论支撑和技术方法；（3）完成驼峰和S 区特性压力脉动相关试验。完成非定常数值模拟计算，采用高阶信号处理方法（短时傅里叶变换、连续小波分析、双谱分析以及相干性分析）对迟滞区工况点进行分析，获得特征频率传播规律并确定其来源。（4）基于对驼峰特性及S区迟滞特性的产生机理研究，探究并提出水泵水轮机驼峰区不稳定特性抑制策略，相关控制策略降低了驼峰区工况无叶区流域压力脉动强度17.3%，并增加驼峰裕度至5.82%。该研究对促进水力机械流动理论的发展和保证高水头大容量水泵水轮机安全稳定运行具有重要意义。相关研究成果发表相关SCI论文13篇，其中6篇发表在能源领域顶级期刊RSER和RE上，2篇发表流体工程领域顶级期刊ASME JFE上，申请发明专利2项，国内外会议报告5次，培养博士研究生2名，硕士研究生5名，本科生4名，项目负责人基于本项目相关成果获得2020年黑龙江省自然科学一等奖（1/5）及2021年黑龙江省科技进步一等奖（5/11）。