水泵水轮机导叶不同步起动过程全三维流动特性数值研究

我国正在大力建设抽水蓄能电站，预期装机容量近10年将增加3000万千瓦，有向具有很好经济指标的高水头和大容量发展的趋势，国内还缺乏技术支撑，尤其是水力性能预测方面积累的经验不够。水泵水轮机在起动过程中机组流量有很大震荡，同时蜗壳和尾水管内的压力也有较大波动，过大的振动可能导致其部件的破坏。不同步导叶用在中高水头水泵水轮机中以稳定水轮机的起动和空载运行工况,其中流动的影响机理仍然缺乏理论论证和分析。本研究将对此开展水泵水轮机导叶不同步起动过程内部流动三维数值分析，探讨合适的数学模型与精细数值方法，实现导叶不同步起动过程的全三维流动计算，了解机组内部流态特征与水力特性，总结不同步导叶运动规律与水轮机内部流态及机组特性间规律，完善预开启导叶的操作方法，为改善水泵水轮机起动过程的不稳定性问题提供分析依据，也为深入开展各类水力机械起动过程乃至极限流动状态下的非定常流动特性研究积累经验。

抽水蓄能电站在电网中的特殊重要作用越来越受到重视，我国正规划大力建设抽水蓄能电站，但相关技术仍与国外有差距。水泵水轮机会经历频繁的开停机和工况转换过程，但其S特性严重影响开停机等运行过程的稳定和安全性，布置不同步导叶是目前改善机组S特性的有效方式之一。本研究采用模型试验与数值计算相结合的方法，研究了不同步导叶对水泵水轮机S特性的影响规律，并总结了它对三维内流场的影响规律，提出了合理的不同步导叶布置方式，为改善水泵水轮机起动过程的不稳定提供了流动依据，也为深入开展各类水力机械起动过程乃至特殊状态下的瞬变流特性研究积累了经验。.对不同步导叶改善水泵水轮机S特性的最优布置，采用模型试验方法进行了研究。分别对不同步导叶数、不同布置位置、角度等参数组合的十余个方案进行了实测。通过比较全特性曲线，发现预开启导叶数不是越多越好，采用四个周向匀布不同步导叶的方式对改善机组S特性效果最佳。结合模型试验，对水泵水轮机全流道的导叶同步/不同步状态机组变转速、导叶开启过程的三维数值计算，进行了数学模型、数值计算方法等的系统对比分析研究。水泵水轮机的三维定常计算一般建议采用 湍流模型，稳态非定常算和过渡过程瞬变流的三维流动数值模拟建议都采用SST湍流模型。采用动网格技术实现了机组起动过程中的导叶运动，特别是导叶不同步状态下的动网格计算。.额定转速下的稳态非定常流动计算显示，不同步导叶明显改变了机组的外特性参数和整体内流场分布；它能有效减小蜗壳、固定导叶、活动导叶及无叶区和尾水管内的脉动幅值，但不能减小无叶区和转轮内的压力脉动幅值，同时改变了机组整体流道内的脉动频率。导叶角度固定、转速增大的启动过程三维瞬变流计算显示，不同步导叶改变了起动过程的压力脉动和内流特性，其压力波动幅值和转轮径向力的增大是因为它破坏了活动导叶和转轮叶片间流动的对称性，随着单位转速的增大，尾水管内的螺旋涡带形状也会被不同步导叶改变。导叶开启、转速增大的实际开机过程三维瞬变流计算显示，不同步导叶在水轮机工况启动过程中，初期会显著增大整体流道内的脉动幅值，破坏活动导叶、转轮域内流场的周向均匀性，也会增大转轮径向力和轴向力。随着转速的上升和活动导叶开度的逐渐增大，不同步导叶引起的流动不均现象在整体流道内会逐渐得到改善，进而改善机组整体运行的稳定性。