混流式水轮机变负荷过程内部流动特性研究

作     者：冷在军 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭鹏程

授予年度：2021年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：混流式水轮机 导叶关闭 变负荷过程 尾水管 内流特性 

摘      要：随着太阳能和风能等间歇性能源在电网中的占比增加,水轮机作为调频设备,越来越频繁的在不同工况条件之间转换,严重影响水轮机的安全稳定运行。迫切需要理清负荷变化过程中水轮机内部流场转变规律。因此,本文基于Francis99模型开展混流式水轮机瞬态过程中非定常流动特性研究,探讨导叶运动导致的流场内部压力脉动的不稳定特性,揭示尾水管内部流动特性的非定常变化与内部旋流结构演化规律的关联及影响,具有重要的工程实际应用价值,主要结论如下:(1)对三个稳定工况下尾水管速度分布、压力脉动时频域、内部流场之间的差异进行了分析。结果表明,不同流量工况下无叶区和转轮内部的主频分布主要受到动静干涉的影响,尾水管上游的压力脉动幅值差异不大。转轮出口环量的不同是导致锥管段内流动存在差异的主要原因。最优工况和大流量工况下尾水管内部流场均呈轴对称分布,但大流量工况中心旋流的旋流强度更强。小流量工况下中心回流区形成的再回流具有更强的切向速度,内部流动向不对称状态转变,由此导致了尾水管内部以0.27fn低频脉动的螺旋状涡带主导的偏心流场结构。(2)对变负荷过程中外特性参数、瞬时压力脉动的非定常变化以及尾水管内部流动变化进行了详细的分析。结果表明,在负荷变化过程中,在转轮叶片表面压力梯度向下环出口处偏移与流场内部压力脉动的共同作用下,转轮受力不同分量的变化趋势和转轮力矩均表现出动态变化特点。尾水管内部涡核的形成是在导叶关闭过程初始阶段开始的,导叶的持续关闭,使得转轮出口旋流强度不断变化,导致了尾水管内部的旋流结构不断演化。尾水管中心低速区逐渐出现,并不断扩大形成反向流动,流场不稳定性增强,使得最初的轴对称旋流结构强度不断增强,破裂聚合,最终在小流量运行条件下形成单条准稳态螺旋状涡带,从而影响水轮机部件结构稳定。