水泵水轮机泵工况断电导叶拒动过渡过程流动特性研究

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随着我国在“十四五”发展规划中明确提出加快抽水蓄能电站的建设,对于抽水蓄能电站在运行过程中频繁转换工况时的不稳定性问题研究愈发重要。目前对于水泵水轮机泵工况断电导叶拒动过程瞬态流动三维研究相对较少,理论体系不完整。为了反映该过渡过程中,机组处于不同工况区时内部瞬态流动特性,本文采用FLUENT软件对过渡过程中水泵工况、水泵制动工况及水轮机工况进行三维数值模拟计算。根据泵工况断电导叶拒动过程数值模拟计算结果,采用涡量分析、熵产分析及FFT时频分析(短时傅里叶变换)相结合的方法对泵工况断电导叶拒动后水泵水轮机的流动特性、能量损失特性及压力脉动特性变化规律进行了研究。研究结果表明,水泵水轮机在泵工况下运行时突然断电,沿水泵工况方向的流量迅速减小至零。进入水泵制动工况后,流量开始沿水轮机工况方向反向增大,由于转轮叶片失去动力且受到流体冲击阻力,转轮转速开始迅速减小至零。进入水轮机工况后,转轮开始朝水轮机工况转动,流体对转轮叶片的冲击力为转轮叶片提供动力,且活动导叶拒绝关闭动作,导致转速持续增大,机组最后进入飞逸工况区,整个过渡过程中存在以下特性:(1)水泵水轮机在泵工况断电导叶拒动过渡过程中,蜗壳隔舌、固定导叶尾部及活动导叶、无叶区、尾水管椎管附近易产生回流、漩涡流,等各种不良流动现象,区域流态较差,是该过渡过程中能量损失的关键部位,其中无叶区影响最大。(2)水泵水轮机在泵工况断电导叶拒动过渡过程中,转轮涡量及熵产率最大,且其余部件位置越靠近转轮,涡量及熵产率变化趋势与转轮相似性就越高,这表明该过渡过程中转轮区域产生不良流动现象,导致机组不稳定运行,是该过渡过程中能量损失的主要部位。(3)水泵水轮机在泵工况断电导叶拒动过渡过程中,转轮压力脉动幅值最大,其余部件位置越远离转轮,压力脉动幅值越小,且各部件压力脉动第一主频频率大多在叶片通过频率(6fn)附近,这表明转轮叶片是引起水泵水轮机压力脉动的关键部件。(4)水泵水轮机在泵工况断电导叶拒动过渡过程中,除蜗壳外,其余部件涡量、熵产率及压力脉动幅值均在水泵制动工况中、后期及水轮机工况前、后期较大,处于该工况区时机组更易产生不良流动现象,能量损失更明显,运行更加不稳定。(5)水泵水轮机在泵工况断电导叶拒动过渡过程中,机组压力脉动、涡量、熵产率变化趋势及分布规律相似,故内部不良流动现象是造成水泵水轮机振动及能量损失关键原因,压力脉动是能量损失最直观的表现形式。
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