《蓄能機組水輪機工況啟動過程穩定性機理研究》是依託清華大學，由劉樹紅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：蓄能機組水輪機工況啟動過程穩定性機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：劉樹紅
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
作為對抽蓄機組全特性曲線中不穩定特性的研究，本課題將針對水泵水輪機的水輪機工況啟動過程的不穩定現象，特別是S型曲線附近的內部流動機理開展工作：1、針對現有抽水蓄能電站，開展模型試驗和原型機監測（包括不同步導葉裝置的使用和未使用兩種情況）和內部流場PIV實驗，2、針對全特性曲線中的水輪機工況的啟動過程（包括S不穩定區）開展模型和原型機的典型工況的穩態和暫態非定常數值模擬，並對比實測結果，通過發展適於水泵水輪機中暫態非定常旋轉流動湍流模型的研究完善數值計算；在此基礎上，通過暫態非定常渦動力學分析等手段對計算結果進行分析，建立瞬態過程中（特別是運行通過S不穩定區的過程中）渦動力學與巨觀動力學特徵量的演化規律；探討各種典型工況下的內部流動機理，特別是不同步導葉裝置對不穩定區的改善作用，確定影響因素，最佳化流動部件的水力設計，消除S不穩定區，並探討原型機和模型機的比尺效應規律。
結題摘要
本項目針對水泵水輪機的水輪機工況啟動過程S型區域附近的內部流動機理，分別進行了下列研究： 1、模型機特性、PIV及原型機監測實驗； 2、水輪機工況小流量及啟動過程數值模擬； 3、機組暫態非定常流動機理分析； 4、水力部件最佳化設計。 項目任務書的研究內容已基本完成，同時根據項目進展及國際最新研究成果，對原計畫進行了修訂和補充：數值計算方法方面，採用了非線性v2-f湍流模型及自主開發的非線性PANS模型，取代了原來計畫中的DES方法；流動機理分析方面，增加了對湍動能輸運方程中湍動能各產生項的分析。具體說明見報告正文。 本項目的主要研究成果如下： 1、通過模型試驗、流場動態觀測、PIV測試等研究手段對機組內部流動進行了觀測後發現：轉輪內部的失速渦流動演化的主頻為葉片通過頻率；活動導葉吸力面流場的變化周期與葉片通過頻率相關； 2、開發了基於 RNG k-ε的非線性 PANS 湍流模型；數值計算中，利用非線性模型v2-f 和PANS成功預測了機組內部複雜流動。研究發現，轉輪內部失速渦是導致機組“S”特性產生的主要原因，也是機組啟動過程併網困難的主要原因； 3、對採用同步導葉及非同步導葉（MGV）的機組內部流動分析發現，採用MGV後流動均勻性的破壞及無葉區高速旋轉的水環消失可能是導致無葉區壓力脈動提高的主要原因； 4、通過對原型機和模型機的比尺效應規律研究發現，兩者壓力脈動的主頻與幅值在 “S”區沿開度線有相同的變化規律，但在飛逸線以下區域工況，兩者內部流場不符合流動相似性，進而誘發了壓力脈動次頻的不同； 5、建立了基於湍動能輸運方程的水泵水輪機“S”區內部流場的流動穩定性分析方法； 6、通過最佳化導葉基圓與轉輪入口直徑之比，能明顯提高機組運行效率，並有可能降低無葉區壓力脈動；通過對轉輪葉片改型、降低葉片數目最佳化了轉輪性能，削弱了“S”特性。
