预开导叶下水泵水轮机 S 特性及其压力脉动分析_

1、预开导叶下水泵水轮机 S特性及其压力脉动分析 *肖若富 1孙 卉 1刘伟超 2王福军 1(1.中国农业大学水利与土木工程学院 北京 100083; 2.东方电机有限公司研试中心 德阳 618000摘要:可逆式水泵水轮机兼具了发电以及储能的特点既满足人们环保意识的需求也满足对功率的平衡与控制。但水泵水轮机 在 S 特性区内运行会发生机组并网困难或者甩负荷过程中水压异常上升,使机组振动加剧。为探究预开启导叶的方法对水泵 水轮机 S特性的改善,对水泵水轮机模型分别在同步导叶和不同预开启导叶条件下进行能量试验及全流道内流场的 (Computationalfluiddynamics,CFD 数值计算;

2、通过试验数据与计算结果的对比分析预开导叶后水泵水轮机 S 特性及其压力脉 动特征。 CFD 计算结果及模型试验数据表明,预开导叶的方法能有效解决水泵水轮机 S 特性问题,但是预开导叶后,飞逸工 况下的单位流量变大,造成转轮内的流动轴对称特性较差,导致机组的脉动加大,尾水管压力脉动幅值较大,运行稳定性较 差,所以通过预开导叶的方法来改善 S 特性仍然存在弊端。关键词:水泵水轮机 S 特性 预开导叶 压力脉动中图分类号:TV136AnalysisofSCharacteristicsandIts Pressure PulsationofPumpturbineunderPreopeningGuideV

3、anes XIAORuofu1SUNHui1LIUWeichao2WANGFujun1(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing1000832.DongfangElectricMachineryCo.,Ltd.,Deyang618000 Abstract :Duetothegrowingenvironmentalawarenessanddemandingforthebalancingpowerandfrequencycontrol,therenewableenergysour

4、cesreversiblepumpturbineseemtohavethebothcharacteristicsofpowergenerationandenergystorage.WhilethePumpturbineoperatesintheScharacteristics,thedifficultyinloadingrejectionprocessandunusualincreaseinwaterpressurewilloccur,whichduetothemachinevibration.Inordertoexplorethepreopeningguidevaneontheimprove

5、mentoftheScharacteristicsofpumpturbine.Firstly,usesthesynchronizationguidevaneandpreopeningguidevanetodotheenergytestandthewholeflowofCFDnumericalflowSecondly,bycomparingtheexperimentaldatawiththeCFDresultstoanalysistheScharacteristicsanditspressurepulsationThenconcludedthat:bypreopeningpartguidevan

6、esthepumpturbinecanavoidtheinfluenceoftheScharacteristicunderthesteadyflow.Whileafterpreopeningguidevanes,theincreaseofunitflowintherunwayconditiondestroyedthesymmetryoftheflowintherunner,whichduetotheincreaseofthepressurepulsationandtheunstableoftheunitoperation.SothereisstillsomeabuseimprovingtheS

7、characteristicsbypreopeningpartguidevanes.Keywords:PumpturbineSshapedcharacteristicsPreopeningguidevanesPressurepulsation0前言水泵水轮机在其 S特性区内运行非常不稳定, 通常会经历水轮机工况,制动工况和反水泵工况, 并会在三种工况之间来回转换,造成机组转速来回 摆动从而导致机组并网困难或甩负荷后不能达到空 载稳定以至跳机 12。 在 S特性曲线中,机组在同 一转速下对应三种不同单位流量,其中一个为负值, 在 S 区域内这种正负关系的转换将会导致转矩产生 正反两个方向,极易破

8、坏水泵水轮机的构件。除此 之外,在 S特性区内的压力脉动状况也将直接影响 水泵水轮机的稳定运行,水流的压力脉动是导致水 力机组产生振动的重要原因之一 34, 特别在大型水 力机组中由于其结构刚度相对降低,水流的不稳定 流动将导致机组产生振动,影响机组正常运行,严 重时还会导致构件发生疲劳破坏。压力脉动的波峰 可造成过流部件的瞬时超值载荷,特别在过渡过程, 导叶动力负荷可达到正常工况的 56倍,而压力脉 动的波谷可导致汽蚀提早发生,所以在研究解决水泵水轮机 S 特性问题上,不能忽略压力脉动的影响。 目前针对水泵水轮机 S 特性方面研究的相关文 献相对较少,程云山 5提出了水泵水轮机 S特性区 的

9、危害性并且提出几种解决对策; NAKAMURA6对高压头、高转速的水泵水轮机的内流场进行了相 关的分析研究;游光华等 7把导叶不同步预开装置 (Misalignedguidevanes,MGV应用到天荒坪抽水蓄 能电站成功解决了机组并网难、逆功率和甩负荷后 不能达到空载稳态的问题;钱忠东等 8研究 MGV在三种不同开度下的水轮机压力脉动特征,得出 MGV减轻尾水管涡带的偏心,改变了导水机构与 转轮之间原有的动静干扰特性,形成新的振源,蜗 壳和导水机构的中高频率压力脉动有所增强;张兰 金 9等 人 提 出 利 用 计 算 流 体 力 学 (Computationalfluiddynamics,C

10、FD 数值模拟不同工况下水泵水轮 机的内部流场分布分析引起 S特性的原因,并在此 基础上进行非定常计算得出在 S 形过渡工况区的压 力脉动情况; HASMATUCHI 等 10在水泵水轮机非 设计工况下进行可视化研究以及压力脉动的测量来 分析 S特性区内的流动状况; WIDMER等 11给出 水泵水轮机的 S 特性与转轮之间以及转轮与活动导 叶的无叶片空间的回流涡有关;目前关于预开导叶 条件下水泵水轮机 S特性的分析是有待开展的课 题。为了探究预开导叶的方法对 S 特性的改善以及 影响,首先对水泵水轮机同步导叶模型和不同预开 启导叶模型进行能量试验及全流道内流场的 CFD数值计算;其次通过试验

11、数据与计算所得结果的对 比,分析预开导叶对水泵水轮机 S特性的影响及飞 逸工况下的压力脉动特征对机组稳定运行的影响并 得出结论。 1计算模型本文研究对象为水泵水轮机全流道模型,计算 域包括蜗壳流道、固定导叶流道、活动导叶流道、 转轮流道和尾水管流道五个部分,如图 1所示。除 了蜗壳用四面体网格之外,其他四个区域均使用六 面体网格。为了验证网格大小对计算结果的影响, 进行网格无关性检查,分别选取五种不同的网格尺 寸, 网格节点总数从 60万增加到 150万, 在同一开 度和质量流量条件下进行模拟,分别把结果与试验 结果进行对比发现,网格尺寸越小,与试验结果越 接近,但网格节点 100万以上时,不

12、同网格的计算 偏差为 0.2%以下, 故本文计算中水泵水轮机最终获 得的网格总数为 100 万网格节点左右。图 1计算区域及其网格划分 2预开导叶下 S特性分析 2.1同步导叶条件下的 S特性分析在同步导叶开度分别为 4、 6、 8三种情况下 对水泵水轮机全流道模型进行数值计算分析,选用 SST k w- 模型,边界条件采用进口质量流量, 出口 给定压力条件,参考压力为 101325Pa,假设壁面 为水力光滑壁面,并按对数律给定无滑移边界条件。 如图 2所示, 为 6和 8两种开度下, 计算结果 与试验的对比,能观察到试验值与计算值基本趋势 吻合, 相对误差较小, 说明利用 CFD计算方法能够

13、 较为准确的模拟 S特性区内的流动状况。通过曲线 看出在飞逸工况附近水泵水轮机的单位流量的等开 度线急剧下弯,沿着单位流量减小的方向弯曲形成 一个 S 形,由于抽水蓄能电站需要频繁的转变工况, 故需要在水轮机工况,制动工况和反水泵工况之间 来回转换,如果在该 S形区域内运行,则对整个机 组的稳定性安全性都会存在很大的影响,这种正负 关系的转换将导致转矩产生正负两个方向,极易破 坏水泵水轮机的构件。 2.2预开导叶条件下的 S特性分析为了探究解决 S特性的有效方法,本文在同步 导叶的基础上,预开模型的 2#, 7#, 12#, 17#四个 导叶分别至 20和 28进行试验和 CFD计算。 如图

14、3所示分别为预开 20和 28后的计算结果与试验值 的对比,可以看出水泵水轮机在运行范围内的 S特 性明显消失,与图 2进行对比,特性曲线与飞逸线 的交角也由小变大,交线处得斜率也由正变负,此 3单位转速 n11/(r/min图 2 水泵水轮机特性曲线的对比时的水泵水轮机在到达飞逸后容易保持稳定,不会 越过飞逸线而直接进入制动。比较图 3中不同预开 导叶 (20, 28下水泵水轮机的特性曲线可以看出, 随着预开导叶角度的增加,在水泵水轮机的运行范 围内 S特性逐渐消失, 预开导叶角度越大, 改善效 果越明显。 3预开导叶下压力脉动的分析通过上述的试验结果和 CFD计算研究能看出, 同步导叶条件

15、下,水泵水轮机的 S特性会严重影响 机组的运行稳定性,在预开启部分导叶后,该现象 得到很好的缓解, S特性明显消失,在此基础上, 为了进一步研究预开导叶方法的优劣及其可实施 性,并考虑到水泵水轮机的压力脉动是引起机组强 烈震动和不稳定运行的重要原因之一,选取飞逸工 况附近工况点对同步导叶以及预开导叶模型进行非 定常数值模拟计算,进而分析预开导叶后对水泵水 轮机转轮的受力特性以及尾水管压力脉动特性的影 响。 3.1计算工况点的选择及数值设置由于非定常计算需要大量的时间并且占用大 量的计算资源,且本文主要研究飞逸工况运行范围 内的压力脉动状况, 因此本文只选取了部分工况点,即在导叶开度为 4、 6

16、、 8三种开度下对应的同步导叶以及预开导叶 20和 28飞逸工况点附近各选 取两个工况点共计 18个计算工况点, 如图 4是以同 步导叶为例来说明计算工况点的选取情况。非定常的计算模型与定常计算的模型一致,边界条件设置相同,并且以定常计算收敛后的全流道 数据作为非定常计算的初始条件,选取时间步长为 旋转周期的 1/100,即 t =0.0005s,本文共计算 10个旋转周期。为分析水泵水轮机转轮的受力以及尾 水管的压力脉动,分别监测转轮的受力状况,并在 尾水管的转轮出口处依次设定了四个平面每个平面 四个共 16个压力记录点 116,如图 5所示,分别 为各截面沿圆周均匀分布,其中第一个平面距转

17、轮 出口距离为 0.25D 1,依次往下分别为 0.5D 1, D 1和 1.5D 1。 3.2转轮背向力特性的分析以运行范围内的 8开度为例, 选取其同步导叶以及预开 20和 28两种开度下的一组数据详细分 析飞逸工况时的转轮背向力分布情况。水泵水轮机运行过程中,转轮的受力直接影响 机组的稳定运行,通过如图 6所得到的同步导叶和 预开导叶条件下水泵水轮机飞逸工况处的背向力波 动时域图能够明显看出:预开导叶后的波动起伏明 显增大, 预开导叶的角度越大, 这种现象就越显著。 通过表 1给出的具体幅值和主频能看出: 预开导 图 5尾水管域压力脉动监测点 单 位 流 量 Q /(m 3/s 叶 20

18、后的幅值是同步条件下的 3倍,而预开 28幅值增长为同步条件下的近 16倍, 这种背向力幅值 的大幅度增长使得转轮受力波动很大,造成转轮在 运行中的振动加剧,致使机组整体运行处于不稳定 状态; 通过分析主频看出, 预开 20的主频为 9, 刚好为转轮叶片数,说明此时的受力不稳定状况主 要由于转轮的干涉作用引起来的转轮通过频率成 分,在预开 28时,主频为 8,是预开导叶数 4的 2倍。表 1不同导叶开度下的背向力幅值与频率导叶开度 8同步 8预开 208预开 28幅值 A/N77.57246.81232.96主频与倍频之比 fr /f n698次频与倍频之比 fr /f n4.0 9.6通过以

19、上分析得出, 转轮内的背向力幅值很大, 这必然对运行过程造成振动干扰,在此基础上,为 更进一步了解造成预开导叶后转轮剧烈震动的根本 原因,对其内部流动进行分析。如图 7所示为 8开度下的同步导叶以及预开导 叶的转轮 S1流面对比图,通过 CFD计算的结果分 析得出,导致 S特性发生的重要原因是在同步导叶 开度下,由于转轮叶片的冲角很大,会形成一系列 的回流涡机构, 阻塞了流动, 如图 7a所示, 在相邻 叶片的相同部位均存在一个非常明显的漩涡结构, 但是该涡结构分布较为均匀,使得转轮整体受力均 匀。预开启部分导叶之后,水泵水轮机的 S特性得 到改善,这是因为预开导叶的方法强制增大了过流 量,使

20、得部分转轮之间的漩涡减少消失,然而部分转轮之间的漩涡结构仍然相当明显,如图 7b 、 7c所示,这种不对称的漩涡分布情况,直接影响了转 轮的受力分布,使其受到水流的冲击力不等,造成 转轮振动不稳定,这就是导致了水泵水轮机在预开 导叶开度的飞逸工况下运行不稳定的重要原因之 一。 3.3尾水管压力脉动的分析选取靠近转轮出口第一监测平面上的 3号监测 点对尾水管的压力脉动进行分析。以计算中的后三 个周期作图 8所示,为同步导叶和预开 20和 28开度下的压力脉动波形图和频谱图。如表 2给出的 详细的幅值以及主频, 能够明显的看出: 预开导 叶 20后, 幅值为同步导叶条件下的 1.7倍, 而预开 2

21、8后的幅值达到了同步导叶的接近 13倍,说明预 振 幅 A /N 频率 f /Hz 0.720.740.760.780.800.820.840.860.880.90径 向 力 F /N gv8同步 gv8预开20 gv8预开28图 6 受力分布波形图及频谱(c预开 28(b预开 20(a同步导叶开导叶后,转轮出口的压力脉动剧烈,整体运行不 稳定; 在同步开度下,主频为 1,次频为 20,2,4等,均与转频 fn呈整数的倍数关系,表明此时转轮 出口的压力脉动主要受到转频的影响; 预开 20后,主频为 9,次频为 20, 9为转轮叶片数,而 20为活动导叶数目,预开 28后,主频为 1.33,次频

22、 为 2.33和 9,可见预开启导叶之后,其压力脉动成 分均有转轮频率成分,主要由动静干涉所引起,而 预开角度越大,如预开 28情况下多了许多低频成 分。表 2不同导叶开度下的压力脉动幅值和频率导叶开度 8同步 8预开 208预开 28幅值 A/Pa0.0830.1431.07主频与倍频之比 f r /f n1.009.001.33次频与倍频之比 f r /f n20、 2、 4、 9202.33、 94结论本文通过预开导叶探究解决水泵水轮机 S 特性 的方法,分别对同步导叶以及预开导叶条件下的水 泵水轮机全三维流道进行定常以及非定常的 CFD数值模拟得出结论如下:(1通过 CFD计算所得的特

23、性曲线与试验曲线的对比能够看出,两者结果基本吻合,说明利用 CFD 计算的方法能够较准确的模拟水泵 S 特性区内 部的流动状况并可定性分析和预测 S特性。 (2通过定常计算得出的预开导叶和同步导 叶的特性曲线对比能够发现,预开导叶后特性曲线 的 S特性明显消失,说明预开导叶的方法能够有效 的解决水泵水轮机的 S特性问题。 (3通过非定常计算结果对比分析同步导叶 与预开导叶转轮背向力特性得出,预开导叶后,转 轮受力幅值增大,其主要原因是由于预开导叶后破 坏了同步导叶条件下的转轮内的流动对称结构,使 得转轮受力不均匀,导致转轮振荡加剧,不利于机 组的稳定运行。 (4通过对尾水管监测点的压力脉动的分

24、析 得出,预开导叶后,尾水管的压力脉动幅值同样显 著增加,不利于机组的稳定运行。综上所述, 预开导叶的方法虽然能有效的避免 水泵水轮机 S特性的影响,但是在飞逸工况附近运 行时,由于转轮的受力不均以及较强的压力脉动的 影响会导致机组运行不稳定,所以预开导叶的方法 在实际应用中仍然有待改善。参 考 文 献 1梅祖彦 .抽水蓄能技术 M.北京:水利水电出版社, 1993.MEIZuyan.PumpedstoragetechnologyM.Beijing :WaterPowerPress, 1993.2周嘉元, 郑慧娟 .水泵水轮机的 S 形特性及对机组性能的影响 J.水电能源科学, 2006, 2

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27、damageofScharacteristicareaof0.740.760.780.800.820.840.860.880.90时间 t /s压 力 P /p a gv8同步导叶gv8预开20gv8预开28 振 幅 A /P a 频率 f /Hz图 8 尾水管压力脉动波形图及频谱pumpturbineanditscountermeasureJ.WaterPower， 2008，34(6：7073. 6 NAKAMURA T. Study on high speed and high head reversiblepumpturbineC/The18thIAHRSymposium. Valencia,IAHR,1996：210219. 7 尤光华， 孔令华， 陈德有. 天荒坪抽水蓄能电站水泵水 轮机“S”形特性及其对策J . 水力发电学报，2006， 25(6：136139. YOU Guanghua ， KONG Linghua ， CHEN Deyou. Pumpturbine S zone & its effect at Tianhuangping pumped storage power plantJ. Journal of Hydroelectric E