水泵水轮机S区流动特性及压力脉动分析

水泵水轮机S区流动特性及压力脉动分

析

摘要：水泵水轮机运行调度过程中会反复经历偏工况的S特性区，在该特性曲线运行中水轮机系统会出现不稳定，严重时会造成机组损坏。为研究水泵水轮机S特性曲线下不稳定的形成原因，本文选取水轮机工况、飞逸工况和制动工况三种S特性工况，采用SST 湍流模型对模型水泵水轮机进行全流道定常和非定常数值模拟，发现：水轮机工况向制动工况运行时，流道内部流量减少且流线愈发紊乱，涡分布范围逐渐增加且更加离散，可能造成较大水力损失；压力脉动幅值也逐渐增加，所有区域脉动幅值随偶数倍叶频递减，主频和次频分别为9fn 和18fn，受到动静干涉作用较为明显，转轮区域的低幅值高频脉动可能是S区域不稳定的来源。

关键词：S特性区；涡分布；流动特性；压力脉动

Analysis on flow characteristics and pressure pulsation of Punp-turbine S-shaped Region

Hugang Gong

(Dongyuan Branch of Shenzhen Water Planning and Design Institute Co., Ltd., 410000, Changsha, China)

Abstract: The pump-turbine operation and scheduling process will repeatedly experience the S-shaped region of the partial working condition, and the turbine system will be unstable in the operation of this characteristic curve, which will cause unit damage in a serious situation. In order to study the causes of instability under the S characteristic curve of pump-turbine, this paper selects three S characteristic conditions: turbine working condition, flyaway working

condition and braking working condition, and adopts SST k-ω

turbulence model to perform full-flow channel constant and non-

constant numerical simulation of the model pump turbine. The pressure pulsation magnitude also increases gradually, and the pulsation magnitude in all regions decreases with even times of leaf frequency, and the primary and secondary frequencies are 9fn and 18fn respectively, which are more obviously affected by dynamic and static interference, and the low amplitude and high frequency pulsation in

the runner region may be the source of instability in the S region.

Keywords: S-shaped region; vortex distribution; flow characteristics; pressure pulsation

引言

抽水蓄能机组既能调峰也能调谷[1]，相较于其他常规水电机组具有响应快，

效率高和调节能力强等优点[2]。然而抽蓄机组全特性曲线中存在着S特性区，主

要位于水轮机工况、水轮机制动工况以及反水泵工况之间[3]，在机组调节过程中，必定会经过S特性区，同一单位转速下可能有不同单位流量，当机组在飞逸工况、反水泵工况之间时，流量会正负相反，机组承受较大冲击，导致机组不稳定，严

重时可能造成局部部件破坏，影响机组安全运行。国内外学者对水泵水轮机S区

进行了许多研究。徐连琛[4]基于全流道非定常数值模拟和全特性试验的粒子图像

测速法（PIV）对模型水泵水轮机S区内部流动进行了深入研究并分析了漩涡结

构对无叶区压力脉动的影响，认为无叶区的漩涡结构的周期性运动会极大影响该

区域内部的压力脉动周向分布；陈启帆[5]­­基于热力学熵的定义对对混流式水泵

水轮机内部水力损失位置使用熵产率进行描述，发现S区运行时机组熵产率远大

于正常运行区，主要熵产率增量来自于活动导叶和转轮，S区熵产率最强位置位

于无叶区形成的高速旋转的挡水环附近；张兰金[6]为探究S区域内部流动特性，

对S形区全流道进行定常和非定常模拟，发现S区工况下转轮和导叶内部存在大

量的涡，造成很大的水力损失，其中损失最大部位为导水机构，并认为导水机构

内的涡与转轮导叶之间强烈压力脉动是水泵水轮机S特性形成的根本原因。Patrick Mark Singh[7]研究了S特性运行时的额定工况、飞逸工况和低流量条件

下的水泵水轮机内部流动和压力脉动，通过转轮进口处的速度矢量、流线和速度

三角形发现非额定工况下运行时，流动不稳定主要来源于转轮的无叶区。Wang[8]

采用SST湍流模型预测水泵水轮机模型S形性能曲线，总结出二阶格式对水轮机

工况和制动工况效果最优，与该格式相结合的数值模型可以作为未来设计改进的

工具，用以消减S曲线陡峭的边缘的结论。

近年来，随着我国经济不断发展，对能源需求逐年增加，水电机组也在向大

容量、高水头方向发展，因此水泵水轮机的发展对能源开发具有举足轻重的作用。目前，水泵水轮机S区工况内部流动问题仍然是抽蓄机组研究的热点和难点，因

此本文基于模型水泵水轮机，采用CFD数值模拟的研究方法，探究水泵水轮机内

部流动状态，分析其内部压力脉动及其形成机理，为机组稳定及运行调度提供相

应的理论指导。

1数值模拟方法

1.1 湍流模型及控制方程

湍流模型的选择在CFD数值模拟中是一个非常重要的问题，在所有RANS模

型中，湍流模型是以湍动能k的方程为基础上添加的关于湍动耗散率ε方程

的标准二方程模型，该方程只适用于流线较为平直的完全湍流流动的模拟[9]，对

于复杂流场及流道弯曲的模拟适用性较差；湍流模型相较于前者则更适应于

近壁面的流动模拟[10]，而SST 湍流模型主要将上述两种湍流模型用混合函数

结合起来，综合两者的优点，在近壁面区域标准作用较为明显，自由表面处

则由模型进行处理，使其能够精确的模拟逆压梯度的流动分离，对于复杂的流场预测表现较好[11]，该模型在水泵水轮机和水泵的模拟中得到较好的应用[12-13]

因此本计算采用SST 湍流模型进行数值模拟。流体力学基本方程是质量守恒、动量守恒和能量守恒方程在流体力学中的表现形式，是流体力学的基础，计算基

于不可压缩雷诺时均纳维斯托克斯方程，对于均匀的不可压缩流体，连续性方程

和运动方程为：