带分流叶片水泵水轮机驼峰区流动特性与流致噪声研究

论文摘要

抽水蓄能电站处于低负荷时期时可以将剩余电力利用水泵将水抽到上游水库储存,高峰负荷时再用来补充电力。还可以配合其他电网系统协调峰谷情况,因而机组运行的稳定性至关重要。传统的水泵水轮机在泵工况下运行时,其扬程曲线一般会产生驼峰现象。当机组在驼峰区运行时,极其不稳定,会引发机组强烈破坏、振动等严重危害安全、效益的问题,改善驼峰特性至关重要。目前,分流叶片结构在水泵、风机等领域有较好的应用,具有改善流态、稳定流场、提高性能的优点,在水泵水轮机领域尚处于研究阶段,工程实际应用报道也较少。本文以国内某抽水蓄能机组的带分流叶片水泵水轮机为研究对象,针对泵工况的驼峰问题,采取模拟为主试验为辅的方法,选取三种导叶开度,主要针对泵工况驼峰区的内流机理和流致噪声特性进行了深入探究。本文主要研究内容如下:1)采用CFX对模型水泵水轮机泵工况三种导叶开度进行定常数值计算,得到外特性曲线,将计算结果与模型试验结果进行对比,探讨数值计算的可靠性和可行性。对三种导叶开度下的流场特性进行分析,结果表明:三种导叶开度下,内流特性随流量的变化规律具有一定的相似性。驼峰区工况时,尾水管直锥段出现绕流现象;转轮进口出现回流、二次流,回流随着流量的减小由后盖板转向前盖板,转轮出流条件变差,这种不稳定结构会延伸到双列叶栅中,使导叶中渐渐出现明显的非对称性流动,主流不能顺利通过,且其本身也会消耗能量,流动损失增加,最终导致了驼峰现象的产生。2)对导叶开度?=17.5o驼峰典型工况点进行非定常数值模拟,基于定常计算结果对转轮、双列叶栅的内流特性进行详细分析,并结合试验对各流域监测点的压力脉动特性进行分析。结果发现,驼峰区工况下,转轮与导叶流域内的流动恶化,转轮进口形成明显的低压区,转轮流道内流动受进口漩涡的发展影响,损失增加,做功能力大大降低,活动导叶与固定导叶内出现方向相反的漩涡,漩涡运动的位置呈周期性分布。压力脉动主频的模拟结果与试验较为吻合;额定工况下,水泵水轮机机组内部压力脉动主要受转轮与活动导叶动静干涉的影响,转轮流道内以及出口无叶区脉动主频约为1.6倍叶频（BPF）,双列叶栅流域脉动主频为0.5BPF,尾水管和蜗壳压力脉动主要受2BPF影响。驼峰区工况尤其是驼峰最低点工况受动静干涉减弱影响,压力脉动低频成分增加,主频向低频方向转变。转轮流域主频变为1.5倍轴频（fn）,双列叶栅中低频成分更甚,主频约为0.5fn,主要是由于内部漩涡、二次流等复杂流态引起的。蜗壳隔舌附近监测点主频约为0.3fn,而蜗壳其他截面监测点主频约为0.6BPF。尾水管在驼峰最高点与最低点工况下的压力脉动主频仍主要受转轮与尾水管动静干涉的影响,主频分别在1.4BPF与BPF附近。各工况下转轮流域压力脉动峰值最大,向上游与下游均呈现递减趋势,其中尾水管内监测点峰值最小。3)基于CFD+Lighthill声类比理论,提取非定常计算获得的声源信息,利用LMS Virtual.Lab软件对模型水泵水轮机内部声场进行计算。首先通过对其进、出口声压级频谱进行分析发现,噪声特性与压力脉动特性具有一定的相似性,声压频谱主频与压力脉动主频基本一致,随着频率的增加出口场点的声压级整体大于进口场点。对三种导叶开度下全流域声压云图进行分析发现,额定工况下,声压级峰值均出现在2BPF处。对各开度在2BPF处的不同工况下声压云图进行进一步分析发现,驼峰工况下,机组内部流致噪声源强度较大,减小水泵水轮机噪声应尽量避免机组在驼峰区运行。对声场特性进行研究发现,蜗壳隔舌是噪声源主要聚集区域,转轮与导叶之间的动静干涉作用产生的非定常脉动力是诱导产生噪声的主要原因。声源主要向蜗壳出口偏隔舌方向沿XY平面即水平面周向传播,尾水管出口方向声压远小于蜗壳出口方向,具有明显的偶极子声源特性,额定工况声压衰减速度大于驼峰区工况。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 泵工况驼峰特性研究现状

1.2.2 分流叶片转轮研究现状

1.2.3 流动噪声研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章流场与声场数值计算基础及理论

2.1 流动控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 能量守恒方程

2.2 流动噪声基本方程

2.3 Lighthill声类比理论

2.4 流动噪声声源

2.4.1 单极子声源

2.4.2 偶极子声源

2.4.3 四极子声源

2.5 本章小结

第三章水泵水轮机泵工况定常流场计算分析

3.1 水泵水轮机三维建模

3.2 网格划分及无关性检验

3.3 模拟方法与设置

3.3.1 模拟方法

3.3.2 湍流模型

3.3.3 壁面函数

3.3.4 边界条件

3.3.5 求解设置

3.4 数值模拟外特性分析

3.5 试验验证

3.6 泵工况定常计算内流特性分析

3.6.1 转轮内流特性分析

3.6.2 双列叶栅内流特性分析

3.6.3 蜗壳内流特性分析

3.6.4 尾水管内流特性分析

3.7 本章小结

第四章水泵水轮机泵工况非定常流场分析及试验

4.1 非定常计算设置

4.2 驼峰区非定常流场分析

4.2.1 转轮内部流场分析

4.2.2 双列叶栅内部流场分析

4.3 压力脉动监测点布置

4.4 压力脉动结果分析

4.4.1 转轮压力脉动分析

4.4.2 双列叶栅压力脉动分析

4.4.3 尾水管压力脉动分析

4.4.4 蜗壳压力脉动分析

4.5 本章小节

第五章水泵水轮机流致噪声计算分析

5.1 声学模拟方法

5.2 声学网格划分及边界条件

5.3 声场计算及分析

5.3.1 声压级响应

5.3.2 声压云图分布

5.3.3 平面场点分布

5.3.4 声功率场点分布

5.4 本章小节

第六章总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贾静

导师: 张金凤

关键词: 水泵水轮机,分流叶片,驼峰区,数值模拟,内流特性,流致噪声

来源: 江苏大学

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: 江苏大学

分类号: TV136.2

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