环境因素对水泵水轮机空化特性的影响研究

论文摘要

水泵水轮机稳定性问题已经成为需要重点关注的关键性问题,特别是转轮叶片空化和双列叶栅内的空化涡引起的机组振动和噪声,是影响机组稳定运行的重要因素之一。尤其是高海拔和高寒地区的抽水蓄能电站,温度和大气压力变化对机组的空化以及稳定性产生重要的影响。基于以上问题,本文旨在探究水泵工况转轮内空化流动特性、双列叶栅内的空化涡流动机理以及环境因素对机组空化性能的影响,为改善水泵水轮机的空化性能、解决高寒和高海拔地区抽水蓄能电站的长期稳定运行提供理论依据,对水泵水轮机的安全稳定运行具有重要的工程应用价值。结论如下:(1)水泵工况空化性能的数值及试验研究。通过对比数值模拟与空化试验的结果可知,二者具有较好的吻合度,且能够较好的给出转轮空化的发展过程。Q<Q_r时,水泵工况转轮内空化首先发生在叶片进口背面;Q﹥Q_r时,水泵工况转轮内空化首先发生在叶片进口正面。随着空化系数的减小以及转轮离心力的作用下,大流量工况转轮内的空化较严重,大量气泡阻塞流道,影响叶片表面载荷的分布,使转轮内的水力损失增加。(2)对水泵工况双列叶栅内出现的空化涡现象进行研究。结果表明:随着空化系数的减小,双列叶栅内的失速涡强度逐渐增大,形成空化涡。空化涡主要从靠近蜗壳鼻端处的导叶域内产生,在水流逆向扩散的作用下向相邻导叶内延伸。空化涡使导水机构产生低频高幅值的力矩波动。随着空化系数的减小,无叶区内的压力脉动幅值增大,而双列叶栅和转轮内的压力脉动幅值减小。(3)考虑环境因素对高水头水泵水轮机空化性能的影响进行研究。水轮机工况下,相对大气压力变化,温度变化对水轮机工况的空化性能影响较大。水泵工况下,温度降低使转轮内水流的湍动能增大;综合考虑温度变化和大气压力变化时,温度和大气压力降低使转轮叶片载荷降低,转轮空化性能下降,水泵工况的空化性能主要受大气压力的影响。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 水泵水轮机中空化的基本形式

1.2.2 空化对机组性能的影响

1.2.3 空化数值计算的研究现状

1.2.4 环境因素对水力机械空化特性的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 空化流动理论及数值模拟方法

2.1 空化流动基本理论

2.1.1 空化的基本概念

2.1.2 空化形成的机理

2.1.3 空泡动力学

2.1.4 空化系数

2.2 空化流计算的空化模型

2.3 控制方程及湍流模型

2.4 无量纲参数

2.5 边界条件设置

2.5.1 空化流计算边界条件

2.5.2 考虑环境因素的计算边界条件

2.6 本章小结

3 水泵工况空化流动特性的试验与数值模拟分析

3.1 水泵水轮机模型简介

3.1.1 基本参数

3.1.2 模型测试试验台

3.2 网格划分

3.2.1 各过流部件网格

3.2.2 数值模拟的试验验证

3.3 计算工况点

3.4 水泵试验工况空化流动特性分析

3.4.1 叶片表面空化形态的发展过程

3.4.2 空化对叶片载荷分布的影响

3.4.3 水力损失分析

3.5 不同流量水泵工况的能量特性分析

3.5.1 双列叶栅内流场分析

3.5.2 转轮液流角分析

3.5.3 转轮环量分析

3.5.4 尾水管流场分析

3.6 不同流量水泵工况下转轮内空化特性分析

3.6.1 不同空化系数下压力场对比

3.6.2 叶片载荷分布

3.6.3 叶片表面空化形态

3.6.4 转轮流道内空化分布

3.6.5 各过流部件水力损失

3.7 本章小结

4 水泵工况双列叶栅内空化涡特性及导叶水力矩分析

4.1 双列叶栅内空化涡特性分析

4.1.1 双列叶栅内速度矢量分析

4.1.2 双列叶栅气态水体积分布

4.1.3 双列叶栅流道内空化形态分布

4.2 导叶水力矩分析

4.3 转轮受力分析

4.4 空化涡对过流部件内压力脉动特性的影响

4.4.1 转轮内压力脉动特性分析

4.4.2 双列叶栅内压力脉动特性分析

4.5 本章小结

5 环境因素对水泵水轮机空化特性的影响

5.1 机组简介及网格划分

5.1.1 基本参数

5.1.2 网格划分及无关性验证

5.2 计算工况点

5.3 温度变化对水泵水轮机空化特性的影响

5.3.1 温度变化对水轮机工况空化特性的影响

5.3.2 温度变化对水泵工况空化特性的影响

5.4 压力变化对水泵水轮机空化性能的影响

5.4.1 压力变化对水轮机工况空化特性的影响

5.4.2 压力变化对水泵工况空化特性的影响

5.5 考虑温度和压力对水泵水轮机空化性能的影响

5.5.1 考虑温度和压力对水轮机工况空化性能的影响

5.5.2 考虑温度和压力对水泵工况空化性能的影响

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 翟广鸿

导师: 廖伟丽,赵亚萍,李志华

关键词: 水泵水轮机,空化涡,导叶水力矩,转轮受力,环境因素

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 西安理工大学

基金: 国家自然科学基金(编号:51679196)

分类号: TV136

总页数: 86

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