水泵水轮机转抽水过程能量传递与耗散特性研究

Reversible pump-turbine is the key component of pumped storage power station. It has frequently changing operation conditions and complex flow passage geometry. The two factors may induce flow instability and cause energy loss. In the process that pump-turbine in changing to pump mode, runner keeps pumping and forcing water moves centrifugally. At the same time, the guide vane blades continually open. The runner, guide vane and stay vane form a multiple rotor-stator interaction. Complex secondary flow structures will be excited and interact with the main centrifugal flow. Strong energy dissipation will happen. In this study, the pump-turbine in prototype scale will be studied. The energy dissipation is predicted based on the thermodynamic irreversibility. Meanwhile, the weak compressibility of water is considered because of the high energy head in prototype scale. The interaction relationship among pressure, temperature and density will be established for a more accurate prediction of the temperature change, energy transfer and dissipation. In this study, numerical simulation is the basic method. The model test of hydraulic and thermodynamic performance will be conducted. Based on the prototype test data, the flow pattern and the induced energy transfer and dissipation will be discussed in detail. The transfer of flow characteristics inside pump-turbine is also investigated. Results will provide good reference for solving the flow problems of pump-turbine unit and improving the performance.

可逆式水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件，其工况转换频繁且过流结构复杂，容易引发流动不稳定性并造成能量损失。在转抽水过程中，转轮持续泵水形成与离心方向的主流流动。同时，活动导叶逐渐开启，形成转轮、活动导叶、固定导叶为主体的多重动静干涉，激发复杂的次生流动结构，与主流相互干涉，导致剧烈的能量损失。本研究以真机尺度的水泵水轮机模型为基础，基于热力学能量变化的不可逆性，定量分析转抽水过程中机组的能量损失。同时，考虑真机尺度高能头造成的水体弱可压缩性，建立流体介质压力-温度-密度的耦合关系，更为准确的预测温度变化、能量损失以及能量传递特性。本研究以数值模拟为基础，充分结合模型水力试验与热力学试验，并结合真机试验数据，全面分析机组内部流动所致能量传递与耗散机理，并研究流场特征在流域中的传递。研究结果为水泵水轮机流动问题的解决以及性能的提升提供有力参考。

可逆式水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件，其工况转换频繁且过流结构复杂，容易引发流动不稳定性并造成能量损失。在转抽水过程中，转轮持续泵水形成离心方向的主流流动。同时，活动导叶逐渐启闭，形成转轮、活动导叶、固定导叶为主体的多重动静干涉，激发复杂的次生流动结构，与主流相互干涉，导致剧烈的能量损失。本研究以水泵水轮机模型为基础，基于热力学能量变化的不可逆性，定量分析转抽水过程中机组的能量损失。同时，考虑高能头造成的水体弱可压缩性，建立流体介质压力-温度-密度的耦合关系，更为准确的预测温度变化、能量损失以及能量传递特性。本研究以数值模拟为基础，充分结合模型试验及真机试验，首先开展不同流量工况下的离心叶轮泵水能量损失分布研究与分析，明确了不同流量下的能量损失特点，明确了流量与流道匹配性所导致的二次流，以及其形成能量损失的根本原因。然后，总结了能量损失较高的区域，明确了近壁区损失与非近壁区损失两种不同情况，分析了两种情况下损失产生的原因。然后，针对水泵水轮机模型机与真机，分析了泵工况转抽水过程运行时的能量损失分布规律特点，列出了容易出现高能量损失的具体位置，发现包含叶片头部、尾部、叶道中部、蜗壳中部、尾水管壁等高损失区域。最后，针对转抽水过程的导叶启闭驱动的动态运行，分析了能量损失的变化规律，明确了固定部件损失的变化和损失占比的变化，基于真机运行分析了不同导叶开度的损失特点及其随导叶开启过程的变化规律。本研究全面分析了水泵水轮机泵工况机组内部流动所导致的能量损失与耗散机理，并研究流场特征在流域中的传递。研究结果为水泵水轮机和抽水蓄能电站流动问题的解决以及性能的提升提供有力参考。