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水泵水轮机“S”特性预测方法研究

纪兴英  
【摘要】:水泵水轮机运行工况复杂多变,作为水泵水轮机瞬态过渡过程中最重要的环节,水泵水轮机“S”特性是制约水泵水轮机安全、稳定运行的关键因素。严重的水泵水轮机“S”特性会导致机组不能由空载直接带负荷,造成机组水轮机工况并网启动困难;“S”特性较为明显的水泵水轮机,在甩负荷后会出现水轮机空载运行不稳定现象。水泵水轮机“S”特性研究对我国抽水蓄能技术的发展意义显著。 根据水力机械实验原理,提出了一种基于CFD的全新水泵水轮机“S”特性预测方法。在“定转速、定水头”的初始条件下对水泵水轮机“S”特性进行数值预测;利用数值计算水头反算求解单位转速,获得“S”特性单位转速与单位流量的对应关系;通过水泵水轮机“S”特性计算结果与实验结果的比较,验证预测方法的可行性。 针对水泵水轮机“S”特性定“转速、定水头预测方法”的不足,提出了水泵水轮机“S”特性单位转速和单位流量的修正公式。并应用数值计算验证数学修正的有效性和可行性,从“S”特性修正验证结果与实验结果的比较来看,修正公式可以较大程度的纠正数值预测方法的误差,尤其是对于低转速大流量计算工况可以起到极好的修正作用,这对于水泵水轮机过渡过程“四象限”全特性的预测有着重要意义。 应用“水泵水轮机‘S’特性预测方法”,计算了两种翼型结构的“空间曲面活动导叶”对水泵水轮机“S”特性的作用,通过两种翼型空间曲面导叶与常规导叶“S”特性修正结果比较,确认“空间曲面活动导叶”对水泵水轮机“S”特性作用显著,其中“空间曲面活动导叶”翼型NACA_1可以改善甚至消除水泵水轮机“S”特性。在两种翼型空间曲面导叶“S”特性计算结果基础上浅析了水泵水轮机“S”特性的形成机理。 在“定转速、定水头”的初始条件下,采用SST k-ω模型对边界层网格细化的水泵水轮机启动工况进行数值计算,以数值计算水头反映水轮机启动工况单位转速与单位流量的关系,预测水泵水轮机“S”特性。在此基础上针对计算方法存在的不足提出了数值预测结果的修正公式,并应用数值计算验证了修正结果,通过修正验证结果与试验结果的比较可以看出:修正计算结果与模型实验结果有着良好的近似关系,可以很好的反映水泵水轮机“S”特性。从而得到了一种较为准确的低比转速水泵水轮机“S”特性的预测方法。应用“水泵水轮机‘S’特性预测方法”计算了两种翼型空间曲面导叶对水泵水轮机‘S’特性的影响,确认“空间曲面活动导叶”翼型NACA_1可以显著改善水泵水轮机“S”特性。在此基础上浅析了水泵水轮机“S”特性的形成机理。


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