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低比转速水泵水轮机驼峰稳定性及其影响因素研究

孙跃昆  
【摘要】:高水头水泵水轮机的稳定运行是极其重要的,在水泵工况中的运行不稳定主要表现为驼峰特性。本文采用模型试验、数值模拟和理论分析相结合的手段对水泵水轮机的驼峰特性及其影响因素进行了研究,模型试验主要采用等比例缩尺的模型水泵水轮机为研究对象,利用叶轮进口的高速摄像观测空化形态及演变规律;数值计算采用2?-f湍流模型对不同工况点进行模拟以分析驼峰发生前后的内部流场,并基于二维简化模型的模拟总结旋转失速产生的原因并总结了旋转失速频率与导叶开度的经验公式;理论分析基于湍动能产生项的展开形式,对活动导叶内不同湍动能产生项的分布进行分析,总结驼峰发生时流动的主要不稳定特点。通过试验和计算分析可以发现,当驼峰发生时,主要观测到的现象为导叶区域出现的旋转失速,其特征为较低的旋转频率,在大开度下,此频率约为0.32倍的转频,随着开度的降低,该频率逐渐降低,在最小开度下,该频率降为0.066倍的转频;失速核在圆周上的个数随着导叶开度降低而减少。通过二维计算结果发现,旋转失速发生的原因是由于当前流道内的横向速度造成下一个流道内的压力降低,当导叶开度降低时,“旋转”所需要的横向速度增大,因此旋转失速频率降低,该频率与导叶开度的正弦值成正比关系。通过数值计算,还分析了压力脉动在机组内不同位置的分布规律。试验和计算结果表明,空化对驼峰特性的影响随着导叶开度的变化而变化,在大开度下,叶轮进口压力面的空化主要对驼峰起到削弱作用;在中等开度下,进口吸力面的片状空化对驼峰特性基本没有影响;而在小开度下,进口吸力面的脱流空化主要使驼峰特性提前发生,空化对外特性的影响主要取决于空化发生的区域和形态。通过分析不同湍动能生成项的分布规律,总结了驼峰发生时旋转失速对流动产生的影响,主要是造成反向速度也即回流,其次是造成较大速度梯度,再次是使局部速度增加,当驼峰发生时,导叶区流动的三维特性也明显提升。综上所述,本文对水泵水轮机的驼峰特性产生和发展过程中的稳定性进行了研究,并对其影响因素进行了分析,为运行过程中减小驼峰对机组的影响提供了参考依据。


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