水泵水轮机暂态过程非定常流动特性及空化影响研究

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1、水泵水轮机暂态过程非定常流动特性及空化影响研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：能源与动力工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：李中杰指导教师：王正伟教授二○一七年十二月ResearchontheUnsteadyFlowCharacteristicsandCavitationInfluenceintheTransientProcessofthePump-turbineDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforth

2、edegreeofDoctorofPhilosophyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyLiZhongjieDissertationSupervisor:ProfessorWangZhengweiDecember,2017摘要摘要为了满足电网日益增长的负荷调节需求，抽水蓄能电站需要进行频繁的工况转换。水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心装备之一，其稳态工况流动现象已得到广泛的研究，而其暂态过程中的复杂流动及空化特性还未得到深入探讨。因此，开展水泵水轮机暂态过程非定常流动特性及空化影响

3、研究具有重要的现实意义。本研究建立了管路一维水声模型与机组三维计算流体动力学的耦合计算方法，基于转动系统动量方程计算暂态过程中转轮转速，采用嵌套网格技术模拟暂态过程中导叶开度的动态变化过程，基于Schnerr&Sauer空化模型计算暂态过程中机组内部水、汽间的质量交换，从三维流场中提取尾水管内空化涡带体积变化引起的质量激励源，同时考虑空化对波速的影响，对暂态过程中空化状态下的一维尾水管模型进行了改进。通过数值模拟结果与暂态过程现场实测结果的对比，验证了计算模型的适用性与准确性。基于耦合算法对水泵水轮机开机和停机过程分别进行了数值模拟，分析

4、了暂态过程中机组的外特性、转轮力特性、压力脉动特性以及内部瞬态流动演化过程，通过瞬态流动结构细节的分析建立其与瞬态性能的关联性，并探讨机组历经“S”特性区的复杂流动现象及机理，发现无叶区高速水环的阻水效应和转轮内旋涡堵塞效应的联合作用导致流量和转矩的急剧下降。基于含空化模型的耦合算法对水泵水轮机甩负荷过程进行了数值模拟，分析了机组在突甩负荷后历经水轮机工况区、制动区和反水泵区的瞬时流动特性以及空化发展与演变过程，发现机组甩负荷过程受“S”特性影响显著，在通过制动区后进入反水泵区较深，反水泵区内最大负向转矩值接近正向额定转矩值，短时间内在主

5、轴上造成很大的力矩反转。同时，发现机组甩负荷至最大转速附近时尾水管内发生严重空化，考虑空化相变造成的质量扰动及波速变化，分析了由空化引起的质量激励源对于机组外特性和压力脉动特性的影响，发现质量激励源加剧了尾水管内压力的波动幅值，并导致空化区域的扩大。本文研究揭示了开、停机和甩负荷过程中的复杂流动特性及机理，可为指导机组暂态过程安全稳定运行和改善系统水力稳定性提供科学的分析依据。关键词：水泵水轮机；暂态过程；耦合计算；“S”特性；空化IAbstractAbstractInordertomeetthegrowingdemandforloadr

6、egulationofthepowergrid,pumpedstoragepowerstationsaresubjectedtofrequentconditionconversions.Thepump-turbineisoneofthecorecomponentsofthepumpedstoragepowerstationwithitssteady-stateflowphenomenonandmechanismalreadybeenwidelystudied,whilethecomplexflowcharacteristicsandins

7、tabilityinthetransientprocesshasnotyetbeenexploredindepth.Therefore,itisofgreatpracticalsignificancetostudytheflowcharacteristicsofthree-dimensionaltransientprocessofthepump-turbine.Inthisstudy,anumericalsimulationmethodthatcouplestheone-dimensionalhydroacousticmodel(1DHA

8、)andthree-dimensionalcomputationalfluiddynamics(3DCFD)wasestablished.Therotationalspeedoftheroto