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基于非线性局部时均化模型的水泵水轮机“S”区稳定性分析

刘锦涛  
【摘要】:为了适应电网调峰填谷的需求,抽水蓄能电站需要进行频繁的开、停机。基于水泵工况设计以及按照水轮机工况修型的设计方法导致水泵水轮机存在“S”特性。“S”特性在理论上就是不稳定的,因此,“S”特性诱发的事故频繁发生。本文针对抽水蓄能电站运行中存在的水泵水轮机“S”特性的稳定性问题,采用数值模拟与模型试验相结合的方法进行研究。 本文基于RNG k-ε湍流模型对湍动能和湍动能耗散率进行滤波处理构建了新的PANS方法,结合非线性模型求解剪切应力,提出了一种非线性PANS模型。利用该模型对二维NACA0015水翼翼型、三维90°弯管以及一低比转速离心泵的内部流动进行数值计算,计算获得的结果与试验值是一致的。计算结果验证了非线性PANS模型对高压力梯度、三维次生流动以及复杂失速涡的预测能力。 为了揭示非同步导叶改善水泵水轮机“S”特性的机理,采用模型试验的方法研究了水泵水轮机采用非同步导叶下的能量特性以及压力脉动特性,并与同步导叶试验结果进行对比。采用非线性PANS模型对两种情况下的“S”区进行了预测,计算得到的“S”特性以及压力脉动频谱特征与试验结果一致。非同步导叶的使用破坏了无叶区高速水环,改善了机组的“S”特性,却导致压力脉动更加剧烈,并且压力脉动幅值随着预开启导叶开度的增加而增大。采用非同步导叶不会改变无叶区的压力脉动主频,其主频均为叶片通过频率。 为了研究模型试验与原型机组压力脉动的相似关系,利用非线性PANS模型对模型与原型机组空载开度下6个不同工况点进行数值计算。模型机组在随着流量的减小,压力脉动幅值先增大后减小,在飞逸点运行时压力脉动最剧烈。原型机组压力脉动幅值的变化规律与模型机组类似,但是原型机组运行在零流量工况时压力脉动较剧烈。由于模型机组和原型机组同一工况点不满足相似准则,很难找到两机组压力脉动的相似规律。在导叶流域,压力脉动的幅值随测点半径减小而降低,压力脉动的主频沿流动方向由2倍叶片通过频率转变为1倍叶片通过频率。 基于湍动能输运方程对模型水泵水轮机无叶区流动稳定性进行分析,并对比采用非同步导叶和同步导叶时的流场特性。转轮对无叶区的干涉在导叶翼型尾缘后方0.3倍导叶弦长处开始体现。湍动能的各产生项中正应力产生项的变化对流动稳定性的影响较大。无叶区压力脉动幅值的提高与湍动能产生项的增大有直接的关系。


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