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水泵水轮机空化性能及其对驼峰特性的影响研究

张正杰  
【摘要】:抽水蓄能电站以其调峰填谷的独特运行方式,发挥着调节负荷、促进电力系统节能的重要作用。随着抽水蓄能机组逐渐向高水头、大容量和高速化方向发展,对机组的运行稳定性提出了更高的要求。空化严重时会对水泵水轮机安全运行造成严重影响,因此有必要对泵工况的空化性能进行深入研究。而驼峰区是制约水泵水轮机泵工况稳定运行的主要难题。本文针对水泵水轮机在空化流动时产生的一系列不稳定问题,结合相关试验数据,围绕水泵水轮机处于不同空化阶段时的流动特性展开研究。主要研究内容如下:1.水泵水轮机空化流动对能量转换的影响。通过转轮中间流面的湍动能和气泡分布等的变化规律,分析水泵水轮机的空化流动特性。结果表明:当空化数降低到临界空化数以下时,空泡产生对流体的排挤作用加强,没有堵塞的叶片流道中流动速度显著增加,流道内气泡的产生、发展及溃灭干扰了转轮内流体的流动,水泵水轮机的效率大幅度下降。同时随着空化程度加剧,在相邻导叶流道内湍动能的分布趋势有明显差别,无叶区有较明显的局部湍动能产生,且靠近叶片吸力面的湍动能值明显高于压力面。2.不同流量工况对水泵水轮机空化性能的影响。选择3种流量工况,通过对比得出水泵水轮机泵工况不同流量下转轮内气泡的出现位置及体积变化规律。结果表明:小流量下空化位置首先出现在叶片吸力面靠近前缘位置,大流量下空化位置首先出现在叶片压力面靠近前缘位置。同时水泵水轮机的抗空化性能随着流量的增大而减弱。随着空化数的降低,一周内径向轨迹不再闭合,峰谷差逐渐加大,在偏离设计流量工况及空化流时容易产生混乱、不对称的复杂内流形态而形成非对称径向水推力,而轴向水推力的变化规律和扬程相似。3.空化性能对驼峰特性的影响研究。通过对水泵水轮机转轮不同叶片高度截面及中间截面流线分布图,分析驼峰现象的形成机理。并对3种不同空化数下水泵水轮机的驼峰现象进行数值计算。结果表明:水泵水轮机运行在小流量工况时,转轮入口靠近下环处和双列叶栅中的分离涡的转捩与驼峰现象的形成相关,通过对比分析不同过流部件的水力损失,发现转轮流道内流动特性的突变增加流动损失,产生驼峰特性。同时,随着空化数的降低,虽然增加了转轮流道的附加水力损失,但在一定程度上消除了驼峰现象,这为空化不稳定和流动不稳定的联合作用下研究水泵水轮机驼峰区的运行状态奠定基础。


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