水泵水轮机全流道“S”特性区数值分析
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对于水泵水轮机机组ꎬ过渡过程一直是设计者关 注的重点ꎬ水泵水轮机运行过程中有四个象限、８ 种工 况ꎬ除去正常的水泵工况和水轮机工况ꎬ其他工况都在 调节运行过程中起到过渡作用ꎮ 其中ꎬ“ Ｓ” 特性区域 是水泵水轮机一个重点关注的区域ꎬ也是历来水泵水 轮机设计的难点ꎮ 在该区域内ꎬ机组在水轮机工况、制 动工况和反水泵工况来回变换ꎬ容易造成并网困难ꎮ 此时ꎬ水泵水轮机内流动较为复杂ꎬ且运行不稳定ꎮ 因 此ꎬ分析水泵水轮机“ Ｓ” 特性区流动情况ꎬ对设计具有 良好稳定性和水力性能的水泵水轮机转轮有重要的意 义[１０ － １１] ꎮ
２１２
人 民 长 江
２０１９ 年
图 １ 水泵水轮机模型转轮 Ｆｉｇ. １ Ｒｕｎｎｅｒ ｏｆ ｐｕｍｐ ｔｕｒｂｉｎｅ ｍｏｄｅｌ
目前ꎬ有不少国内外的学者都对水泵水轮机的 “ Ｓ” 特 性 区 域 流 动 做 了 分 析 研 究ꎮ 纪 兴 英 等[１２] 用 ＣＦＤ 的方法模拟了水泵水轮机的“ Ｓ” 特性ꎬ与试验结 果对比分析后ꎬ提出了影响水泵水轮机“ Ｓ” 特性的流 动特征ꎮ 李仁年等[１３] 采用分离涡湍流模型对水泵水 轮机“ Ｓ” 形区进行了数值模拟ꎬ再结合模型试验对比ꎬ 发现流量越小ꎬ转轮进口流动分离现象越大ꎮ 流动分 离现象最终发展成旋涡进而堵塞流道ꎬ同时还将引发 转轮与双列叶栅之间的相互作用ꎬ使整个流道产生不 稳定性流动ꎮ 王乐勤等[１４] 在对水泵水轮机“ Ｓ” 特性 区数值模拟后研究发现ꎬ在制动工况下ꎬ导叶和水流间 有较大冲角导致导叶区域内出现大量回流旋涡ꎮ 尹俊 连等[１５] 采用 ＳＳＴ ｋ － ｗ 模型模拟了水泵水轮机泵工况 的性能曲线ꎬ得到了和模型试验结果较为接近的结果ꎮ 综合之前学者所做的研究ꎬ本文采用 ＣＦＤ 定常分析方 法ꎬ对自主研发的模型水泵水轮机进行了全流道数值 仿真ꎬ模拟其“ Ｓ” 特性区内的流动情况ꎬ同时结合模型 试验结果进一步分析ꎮ
源自文库
收稿日期:２０１８ － ０９ － １２ 基金项目:陕西省水利科技项目“ 引汉济渭工程高扬程大流量离心泵选型关键技术研究” (２０１６ｓｌｋｊ － ４) 作者简介:余永清ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事水轮机设计方面的研究工作ꎮ Ｅ － ｍａｉｌ:ｙｙｑ＠ ｚｈｅｆｕ. ｃｎ 通讯作者:占 戈ꎬ男ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ主要从事流体机械设计工作ꎮ Ｅ － ｍａｉｌ: ｚｈａｎｇｅ８８９１１＠ １６３. ｃｏｍ
点ꎮ 以自主研发的某水泵水轮机为研究对象ꎬ根据模型试验结果的“Ｓ”特性曲线ꎬ选取其中小导叶开度的“ Ｓ”
特性曲线ꎬ结合 ＳＳＴ ｋ － ｗ 湍流模型ꎬ运用 ＡＮＳＹＳ － ＣＦＸ 软件对曲线上部分工况点进行了数值分析ꎮ 数值分析
工况包括水轮机工况、飞逸工况、制动工况和反水泵工况ꎬ通过计算得到了单位流量和单位转速的关系曲线ꎬ
关 键 词:“Ｓ”特性曲线ꎻ 数值分析ꎻ 回流ꎻ 水泵水轮机ꎻ 抽水蓄能电站
中图法分类号: ＴＶ１３６ 文献标志码: Ａ
ＤＯＩ:１０. １６２３２ / ｊ. ｃｎｋｉ. １００１ － ４１７９. ２０１９. ０８. ０３７
水力发电技术在当今社会已经越来越成熟ꎬ在我 国各大河流流域内ꎬ许多水电站已经运行多年ꎬ水轮机 制造技术也被国内外多家企业所掌握ꎮ 常规水轮发电 机组包括混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮 机、斜流式水轮机以及冲击式水轮机[１] ꎮ 它们是根据 水流在水轮机内部流动方式和水头高低来命名ꎮ 而水 泵水轮机是一种兼顾水泵和水轮机两者的水力机械ꎬ 有水泵工况、水轮机工况、制动工况等多种运行工况ꎬ 由于具有水泵的特性ꎬ水流可双向流动ꎬ在水电站运行 方面具有特殊的意义[２] ꎮ 国内已经建成了不少水泵 水轮机机组ꎬ即抽水蓄能电站ꎮ 在实际运行过程中ꎬ机 组包含水轮机和水泵两种做功模式ꎬ在用电高峰期ꎬ水 轮机工况负责发电ꎬ而在用电低谷期ꎬ水泵工况起到抽 水蓄能作用[３ －４] ꎮ 所以ꎬ抽水蓄能电站对提高电网运 行的可靠性ꎬ保证电网供电质量有重要的意义ꎮ
１ 几何模型和网格划分
１. １ 几何模型
本文的研究对象为自主研发的模型水泵水轮机ꎮ 其几何参数为:转轮直径 Ｄ２ ＝ ３００ ｍｍꎬ转轮叶片数 Ｚ ＝ ９ꎬ固定导叶和活动导叶均为 ２０ 个ꎮ 该模型机在公 司内水力模型试验台上进行初步试验ꎬ其中“ Ｓ” 特性 曲线如图 ２ 所示ꎮ 横纵坐标分别为单位转速( ｎ１１ ) 和 单位流量 ( Ｑ１１ ) ꎬ 从图上可以看出ꎬ 在 各 个 导 叶 开 度 下ꎬ曲线呈 Ｓ 形ꎮ 顺着曲线ꎬ随着单位转速的增加ꎬ水 泵水轮机分别经历 ４ 种工况:水轮机工况、飞逸工况、 制动工况和反水泵工况ꎬ其中飞逸工况由图中红色曲 线标明ꎮ 在水轮机工况内ꎬ随着单位流量的减小ꎬ单位 转速逐步增加ꎻ在经过飞逸工况之后ꎬ随着单位流量的
第 ５０ ２０１
卷 ９
第 年
８ ８
期 月
文章编号:１００１ － ４１７９(２０１９)０８ － ０２１１ － ０６
人 民 Ｙａｎｇｔｚｅ
长 江 Ｒｉｖｅｒ
Ｖｏｌ. ５０ꎬＮｏ. ８ Ａｕｇ. ꎬ ２０１９
水泵水轮机全流道“ Ｓ” 特性区数值分析
余 永 清１ ꎬ杨 振 彪２ ꎬ占 戈３ ꎬ桂 绍 波４
抽水蓄能机组的运行部件为水泵水轮机ꎬ基于水 泵设计的水轮机机组的叶片翼型类似“ Ｓ” 形ꎬ考虑到
水泵水轮机具有双向特性ꎬ模型转轮进出口边皆设计 为圆形[５ －６] ꎬ是为更好迎合水轮机和水泵工况的进口 冲角ꎮ 一般水泵叶轮包角较大ꎬ故水泵水轮机转轮具 有水泵叶轮的特性ꎬ包角比一般的水轮机要大ꎬ其翼型 更接近普通的水泵模型[７ －９] ꎬ但其水轮机工况也有良 好水力性能ꎮ 水泵水轮机转轮如图 １ 所示ꎮ
所得曲线与模型试验曲线较为吻合ꎮ 计算结果表明:在制动工况和反水泵工况时ꎬ固定导叶、活动导叶和转轮
区域内均存在较多的旋涡性回流ꎬ为较为不稳定的工况ꎮ 转轮区域内流动速度极低ꎬ叶片中间位置有无规则
性回流ꎬ相邻的两个叶片头部之间形成横向流动的水环ꎬ水环在离心力的作用下阻挡水流进入流道ꎬ从而大大
减小了转轮的过流能力ꎬ这可能是导致水泵水轮机在制动工况下单位转速降低的重要原因ꎮ
(１. 浙富控股集团股份有限公司ꎬ浙江 杭州 ３１１１２１ꎻ ２. 陕西省引汉济渭工程建设有限公司ꎬ陕西 西安 ７１００００ꎻ ３. 浙江富安水力机械研究所ꎬ浙江 杭州 ３１１１２１ꎻ ４. 长江勘测规划设计研究有限责任公司ꎬ湖北 武汉 ４３００１０)
摘要:抽水蓄能电站在水电中扮演着极其重要的角色ꎬ其机组水泵水轮机的“ Ｓ” 特性区流动情况是研究的重
２１２
人 民 长 江
２０１９ 年
图 １ 水泵水轮机模型转轮 Ｆｉｇ. １ Ｒｕｎｎｅｒ ｏｆ ｐｕｍｐ ｔｕｒｂｉｎｅ ｍｏｄｅｌ
目前ꎬ有不少国内外的学者都对水泵水轮机的 “ Ｓ” 特 性 区 域 流 动 做 了 分 析 研 究ꎮ 纪 兴 英 等[１２] 用 ＣＦＤ 的方法模拟了水泵水轮机的“ Ｓ” 特性ꎬ与试验结 果对比分析后ꎬ提出了影响水泵水轮机“ Ｓ” 特性的流 动特征ꎮ 李仁年等[１３] 采用分离涡湍流模型对水泵水 轮机“ Ｓ” 形区进行了数值模拟ꎬ再结合模型试验对比ꎬ 发现流量越小ꎬ转轮进口流动分离现象越大ꎮ 流动分 离现象最终发展成旋涡进而堵塞流道ꎬ同时还将引发 转轮与双列叶栅之间的相互作用ꎬ使整个流道产生不 稳定性流动ꎮ 王乐勤等[１４] 在对水泵水轮机“ Ｓ” 特性 区数值模拟后研究发现ꎬ在制动工况下ꎬ导叶和水流间 有较大冲角导致导叶区域内出现大量回流旋涡ꎮ 尹俊 连等[１５] 采用 ＳＳＴ ｋ － ｗ 模型模拟了水泵水轮机泵工况 的性能曲线ꎬ得到了和模型试验结果较为接近的结果ꎮ 综合之前学者所做的研究ꎬ本文采用 ＣＦＤ 定常分析方 法ꎬ对自主研发的模型水泵水轮机进行了全流道数值 仿真ꎬ模拟其“ Ｓ” 特性区内的流动情况ꎬ同时结合模型 试验结果进一步分析ꎮ
源自文库
收稿日期:２０１８ － ０９ － １２ 基金项目:陕西省水利科技项目“ 引汉济渭工程高扬程大流量离心泵选型关键技术研究” (２０１６ｓｌｋｊ － ４) 作者简介:余永清ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事水轮机设计方面的研究工作ꎮ Ｅ － ｍａｉｌ:ｙｙｑ＠ ｚｈｅｆｕ. ｃｎ 通讯作者:占 戈ꎬ男ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ主要从事流体机械设计工作ꎮ Ｅ － ｍａｉｌ: ｚｈａｎｇｅ８８９１１＠ １６３. ｃｏｍ
点ꎮ 以自主研发的某水泵水轮机为研究对象ꎬ根据模型试验结果的“Ｓ”特性曲线ꎬ选取其中小导叶开度的“ Ｓ”
特性曲线ꎬ结合 ＳＳＴ ｋ － ｗ 湍流模型ꎬ运用 ＡＮＳＹＳ － ＣＦＸ 软件对曲线上部分工况点进行了数值分析ꎮ 数值分析
工况包括水轮机工况、飞逸工况、制动工况和反水泵工况ꎬ通过计算得到了单位流量和单位转速的关系曲线ꎬ
关 键 词:“Ｓ”特性曲线ꎻ 数值分析ꎻ 回流ꎻ 水泵水轮机ꎻ 抽水蓄能电站
中图法分类号: ＴＶ１３６ 文献标志码: Ａ
ＤＯＩ:１０. １６２３２ / ｊ. ｃｎｋｉ. １００１ － ４１７９. ２０１９. ０８. ０３７
水力发电技术在当今社会已经越来越成熟ꎬ在我 国各大河流流域内ꎬ许多水电站已经运行多年ꎬ水轮机 制造技术也被国内外多家企业所掌握ꎮ 常规水轮发电 机组包括混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮 机、斜流式水轮机以及冲击式水轮机[１] ꎮ 它们是根据 水流在水轮机内部流动方式和水头高低来命名ꎮ 而水 泵水轮机是一种兼顾水泵和水轮机两者的水力机械ꎬ 有水泵工况、水轮机工况、制动工况等多种运行工况ꎬ 由于具有水泵的特性ꎬ水流可双向流动ꎬ在水电站运行 方面具有特殊的意义[２] ꎮ 国内已经建成了不少水泵 水轮机机组ꎬ即抽水蓄能电站ꎮ 在实际运行过程中ꎬ机 组包含水轮机和水泵两种做功模式ꎬ在用电高峰期ꎬ水 轮机工况负责发电ꎬ而在用电低谷期ꎬ水泵工况起到抽 水蓄能作用[３ －４] ꎮ 所以ꎬ抽水蓄能电站对提高电网运 行的可靠性ꎬ保证电网供电质量有重要的意义ꎮ
１ 几何模型和网格划分
１. １ 几何模型
本文的研究对象为自主研发的模型水泵水轮机ꎮ 其几何参数为:转轮直径 Ｄ２ ＝ ３００ ｍｍꎬ转轮叶片数 Ｚ ＝ ９ꎬ固定导叶和活动导叶均为 ２０ 个ꎮ 该模型机在公 司内水力模型试验台上进行初步试验ꎬ其中“ Ｓ” 特性 曲线如图 ２ 所示ꎮ 横纵坐标分别为单位转速( ｎ１１ ) 和 单位流量 ( Ｑ１１ ) ꎬ 从图上可以看出ꎬ 在 各 个 导 叶 开 度 下ꎬ曲线呈 Ｓ 形ꎮ 顺着曲线ꎬ随着单位转速的增加ꎬ水 泵水轮机分别经历 ４ 种工况:水轮机工况、飞逸工况、 制动工况和反水泵工况ꎬ其中飞逸工况由图中红色曲 线标明ꎮ 在水轮机工况内ꎬ随着单位流量的减小ꎬ单位 转速逐步增加ꎻ在经过飞逸工况之后ꎬ随着单位流量的
第 ５０ ２０１
卷 ９
第 年
８ ８
期 月
文章编号:１００１ － ４１７９(２０１９)０８ － ０２１１ － ０６
人 民 Ｙａｎｇｔｚｅ
长 江 Ｒｉｖｅｒ
Ｖｏｌ. ５０ꎬＮｏ. ８ Ａｕｇ. ꎬ ２０１９
水泵水轮机全流道“ Ｓ” 特性区数值分析
余 永 清１ ꎬ杨 振 彪２ ꎬ占 戈３ ꎬ桂 绍 波４
抽水蓄能机组的运行部件为水泵水轮机ꎬ基于水 泵设计的水轮机机组的叶片翼型类似“ Ｓ” 形ꎬ考虑到
水泵水轮机具有双向特性ꎬ模型转轮进出口边皆设计 为圆形[５ －６] ꎬ是为更好迎合水轮机和水泵工况的进口 冲角ꎮ 一般水泵叶轮包角较大ꎬ故水泵水轮机转轮具 有水泵叶轮的特性ꎬ包角比一般的水轮机要大ꎬ其翼型 更接近普通的水泵模型[７ －９] ꎬ但其水轮机工况也有良 好水力性能ꎮ 水泵水轮机转轮如图 １ 所示ꎮ
所得曲线与模型试验曲线较为吻合ꎮ 计算结果表明:在制动工况和反水泵工况时ꎬ固定导叶、活动导叶和转轮
区域内均存在较多的旋涡性回流ꎬ为较为不稳定的工况ꎮ 转轮区域内流动速度极低ꎬ叶片中间位置有无规则
性回流ꎬ相邻的两个叶片头部之间形成横向流动的水环ꎬ水环在离心力的作用下阻挡水流进入流道ꎬ从而大大
减小了转轮的过流能力ꎬ这可能是导致水泵水轮机在制动工况下单位转速降低的重要原因ꎮ
(１. 浙富控股集团股份有限公司ꎬ浙江 杭州 ３１１１２１ꎻ ２. 陕西省引汉济渭工程建设有限公司ꎬ陕西 西安 ７１００００ꎻ ３. 浙江富安水力机械研究所ꎬ浙江 杭州 ３１１１２１ꎻ ４. 长江勘测规划设计研究有限责任公司ꎬ湖北 武汉 ４３００１０)
摘要:抽水蓄能电站在水电中扮演着极其重要的角色ꎬ其机组水泵水轮机的“ Ｓ” 特性区流动情况是研究的重