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随着巨型水力发电机组的广泛应用,混流式水轮机尾水管水力振动又一次得到关注,由偏心的涡带以及低压中心周期性撞击尾水管壁而产生的水力振动不仅仅对水轮机产生破坏,严重的振动甚至产生厂房墙体裂纹,影响电力安全生产。目前,准确、快速、经济的数值模拟方法可以对机组尾水管水力振动做出正确的预测,并将成为解决尾水管水力振动的关键。在过去的大部分时间里,对流体机械的模拟都是基于k-ε模型的,而对于真正适合其内部流动的大涡模型,研究相对较少,到目前为止,国内外还没有利用数值模拟方法对水轮机在综合特性曲线范围内的多工况点进行模拟,因此,有必要通过模型综合特性曲线上不同工况点,验证大涡模拟在尾水管水力振动上的模拟精度以及正确性。
本文通过对水平截面上沿着直径分布的测点的压力测量,得到了不同半径处压力振幅的分布规律,并对比同一半径上,不同高度的测点的压力,得到压力随高度变化的规律。通过对部分负荷以及超负荷时,接近尾水管壁的测点得到的压力进行比较,验证了部分负荷下存在比较严重的水力振动,在所有模拟工况中,其中最严重的相对振幅高达10%,低压中心的转动频率为水轮机转速的1/3-1/4。而在超负荷下,可以明显发现,尾水管内低压中心与部分负荷下有着显著的区别。在超负荷工况下,低压中心转速接近转轮频率,且其中心位置与尾水管中心接近,在就使得低压中心不易于撞击尾水管壁,从而使得尾水管上不出现大的压力振动。这与实验结果是一致的。
对压力振动进行了系统化研究,对三个不同单位转速下的工况点进行了系统模拟,其中每个单位转速下包含了10个导叶开度。通过对这些工况点的模拟,旨在揭示尾水管壁上的最大振幅与水头,导叶开度的关系。对模型实验数据和数值模拟结果的比较得出,导叶开度对调节机组振动有着更加关键的作用。无论机组运行在什么水头下,越大的导叶开度总是对应着越小的振动。
通过对模型综合特性曲线上多组工况点的模拟,得出大涡模拟在部分负荷,满负荷以及超负荷的大部分区域都可以很好的对尾水管水力振动做出准确地预测,无论是内部特性还是外部特性都很好的与实验吻合。但是在小导叶区域,即机组效率低于60%,模拟结果低于实际的实验结果,对于机组出现最大振动的范围,大涡模拟的精度是非常高的。