水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性仿真分析研究

水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性

仿真分析研究

摘要：随着风力发电、太阳能、潮汐能等能源的逐渐发展，对于电网负荷能力与稳定性提出了更高的要求，而抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能。因此其核心组件水泵水轮机的安全运行成为了重中之重，而压力脉动是其运行不稳定的重要原因。为了研究水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性，本文基于某水泵水轮机模型，利用 UG NX10.0 软件建立三维流域模型，并用 ICEM-CFD 软件对流域进行非结构化网格划分；应用 ANSYS-CFX 软件，对全流道在 10mm导叶开度下进行了多个工况点的数值模拟计算。经分析，沿流动分布方向压力逐渐降低，活动导叶和转轮间的动静干涉对导叶后转轮前的压力脉动产生影响，峰值出现在9fn、18fn、27fn等处，与叶片数一致。

关键词：水泵水轮机，压力脉动。

1 前言

与其他储能方式相比，抽水蓄能是当今世界上技术最成熟、最经济的大规模储存电能方式。作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能，从而起到提高供电质量、保证供电安全、降低污染等功能。目前西方发达国家抽水蓄能电站建设较多，总装机比重在 3%-10%，我国仅为 2%左右[1,2]。水泵水轮机是抽水蓄能机组的核心设备，其具有适用性强、性价比高等特点。作为可以双向运行的水力机组，转轮正反向运转分别进行水泵工况及水轮机工况，其未来发展方向为高水头、大容量、高转速化，但随之伴随着不稳定，压力流量脉动、汽蚀等问题严重，故需要妥善分析解决[3]。

水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心，其稳定运行直接关系着机组寿命和电

站安全。而由机组内部不稳定流动造成的水力振动，是机组不稳定运行的主要因

素和内在原因。诸多电站不稳定运行的实例（如俄罗斯撒杨水电站和岩滩水电站），充分说明了水力振动对机组安全运行的重要性。水力振动主要以压力脉动

的方式表现出来，当机组运行在非设计工况，如泵工况驼峰区、水轮机工况的 S 区、制动工况和返水泵工况等，因此对水泵水轮机压力脉动的分析掌握尤为重要。

2 数值模拟方案

本文选取10mm导叶开度时的水轮机工况点，采用 ANSYS CFX 对全流道内部

流场进行非定常计算，选取RNG 模型。获得计算结果后，利用 CFX-POST 进行后

处理并分析。

2.1 边界条件设置

本文需要设置的边界条件有：进口压力、流量，出口压力以及转轮转速、交

界面等，边界条件具体信息如表1所示。采用流量进口，进口压力1atm，出口为

压力出口，压力0Pa，残差收敛至10-4。

表1 计算工况点及相关条件

工况

点

1234

转速(r/min)

500.95

3387

500.4

2694

500.61

0608

380.47

0743

流量(kg/s)92.62776.04168.34171.03

6

2.2 动静界面设置

由于转轮转动，因此在导叶和转轮交界处以及转轮和尾水管交界处的网格会

出现相对运动，需要设置不同方式的交界面。有下列几种界面连接方式，即None, Frozen rotor, Stage。考虑到蜗壳和导叶之间不存在坐标系的改变，因

此选用 None。而转轮与导叶及尾水管间为动静交界面，存在坐标系的改变，因

此交界面选取的是Frozen rotor，在进行非定常计算时采用 stage。

3 结果与分析

为了对水泵水轮机压力脉动进行研究，本文在蜗壳进口，导叶后转轮前以及

尾水管锥管段和肘管段，在相同过流断面上分别设置了对称位置的压力监测点，

通过非定常计算，得到计算结果，并通过 FFT 变换（快速傅里叶变换）把各监

测点的动态压力信号从时间域变换到频率域，同时在频率与主频间进行换算，将

频率无量纲化以进行分析，最终得到压力脉动幅值与主频间关系的频谱图，用它

描述信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系。

水泵水轮机运行过程中，转轮的受力直接影响机组的稳定运行，如图所示为

10mm导叶开度下导叶后转轮前的压力脉动特性。如图1所示，a,b,c,d分别为表

1中的四组工况点，从图中可以看出，压力呈现周期性脉动，在一个旋转周期中

可以发现9个波峰与波谷，与叶片数相一致，这说明该区域压力的周期性变化与

转轮的叶片数直接相关，脉动频率与叶频和叶频的倍频相关，说明由叶片旋转所

导致的转轮与固定的活动导叶相交界区的动静干涉影响了该区域内部的压力脉动。在9f n, 18f n,27f n等处皆出现峰值，但脉动幅值逐渐降低。

图1 导叶后转轮前压力脉动特性

4 结论

本文针对某水泵水轮机，基于N-S方程和RNG模型，利用ANSYS-CFX软件，

对10mm导叶开度下的4个工况点的进行了全流道数值模拟计算并将计算结果利

用CFX-Post进行了分析处理，对水泵水轮机工况下的压力脉动特性进行了分析。对于导叶后转轮前的流动过程，由于转轮转动叶片旋转，导致转轮与固定的活动

导叶相交界区域的动静干涉的影响，在9f n、18f n、27f n等处皆出现峰值，脉动幅值逐渐降低，这说明周期性的压力脉动特性与叶片数有关，在进行设计加工时应

充分考量。

参考文献

[1]罗莎莎.国外抽水蓄能电站发展概况及相关启示[J],中外能源.2013,18：

26-29.

[2]Kong Y, Kong Z, Liu Z, et al. Pumped storage power stations in China: The past, the present, and the future[J]. Renewable &

Sustainable Energy Reviews, 2016, 71:720-731.

[3]赵万勇, 马达, 曾玲. 抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机发展现状与展望[J].甘肃科学学报, 2012, 24(2):101-103.