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小型抽水蓄能系统水泵水轮机设计及性能研究

严健儒  
【摘要】:电力储能技术是通过某种设备和媒介,在电网负荷低时将电能用适当的形式存储起来,并根据需要在电网负荷高时释放的技术。其削峰填谷、平滑负荷、减轻电网负荷波动的优点可以提高电力系统的供电稳定性和可靠性。抽水蓄能因具有容量大、效率高和发展技术成熟的优点,在全世界储能领域都得到广泛的应用。其中,小型抽水蓄能可以克服常规抽水蓄能电站建设周期长、初期投资大和对自然条件有较高要求等限制,并能与分布式能源互相补充,目前发展十分迅速。水泵水轮机是二机可逆式抽水蓄能机组中的主要部件,其性能直接影响着抽水蓄能机组整体的运行效果。本文基于叶轮机械原理,结合叶轮机械设计软件和数值计算方法对适用于小型抽水蓄能系统的水泵水轮机进行水力设计和性能分析,完成其叶轮、前后泵腔、蜗壳、尾水管的设计,对不同工况下的水泵水轮机进行损失分析,分析了不同叶轮密封环结构与不同间隙宽度对水泵水轮机性能以及内部流动的影响,并开展损失集中部件叶轮的性能优化以及内部流动的研究。主要研究内容如下:1.水泵水轮机水力设计及内部流动损失分析。针对某小型抽水蓄能系统的机组要求开展了一水泵水轮机设计研究。基于二元设计理论,对其叶轮、蜗壳、前后泵腔和尾水管进行水力设计,并对设计结果在不同工况下的流动进行数值模拟研究。基于模拟结果对水泵水轮机各部件进行总压损失分析,确定了总压损失集中的部件。水泵工况的总压损失主要集中在前泵腔和叶轮处,水轮机工况下总压损失主要集中在叶轮处。2.叶轮密封环泄漏流分析。对不同工况下密封环泄漏流流动特性开展了研究,比较了不同密封环结构和间隙宽度下泄漏流分别对水泵工况和水轮机工况的性能影响差异。结果发现在密封环结构和间隙宽度相同的情况下,泄漏流对水轮机工况性能影响大于水泵工况。计算了不同工况下各部件总压损失分布及泄漏量与叶轮流量的关系,详细分析了水泵工况下泄漏流与主流在叶轮进口掺混带来的影响和原因。当间隙宽度为0.2mm时,两种密封结构的熵最大值出现在前泵腔中,泄漏量较小,密封性好。掺混位置绝对速度周向分量的增大证明了掺混引起了周向的二次流。摩擦损失和冲击损失分别随液流角的减小和相对液流角的减小而增大。当间隙宽度为0.2 mm时,密封环泄漏流引起的叶轮进口冲击损失较小。3.水泵水轮机关键水力部件的优化设计研究。选用正交试验设计方法,针对总压损失集中的叶轮进行优化设计。分别选取水泵设计工况效率、扬程偏移率和水轮机工况最高效率作为试验目标,选取叶片出口直径、叶轮出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角作为试验因素。每个因素选取3个试验水平,并通过数值模拟方法、极差分析和方差分析方法进行分析与选优。最后将数值结果与原型机进行比较,优化后水泵设计工况的效率为86.01%,扬程为17.44 m,比优化前水泵水轮机水泵效率高出了0.89%,叶轮内流动更加均匀。水轮机工况最高效率比优化前提高1.19%,叶轮进口流动情况得以改善。两工况性能曲线因优化后包角增加而向小流量工况偏移。


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