可逆式水泵水轮机瞬态过程的动态特性及压力脉动机理研究

为适应核电应用的不断发展和电力需求的调峰填谷，抽水蓄能电站应运而生。不同于单独的泵和水轮机，抽水蓄能电站的核心装备- - 可逆式水泵水轮机工况改变频繁，存在多种类型的瞬态过程问题。机组在频繁的工况改变过程中，可能发生飞逸和反水泵等异常瞬态过程，这类瞬态过程所引起的较大压力脉动对装置的安全运转将产生很大威胁。该瞬态过程的流动机理十分复杂，需要进行详细深入的研究。为探索其瞬态流动机理，本申请项目在已有工作基础上，针对可逆式水泵水轮机各种瞬态过程的动态特性和压力脉动机理开展研究。以水泵水轮机机组为研究对象，建立瞬态过程性能测试实验台，重点对各种典型瞬态过程进行实验研究，以实验结果为指导探索其瞬态流动机理；建立瞬态过程动态特性预测理论模型；并对可逆式转轮进行非定常耦合流动的数值模拟。揭示其瞬态过程动态特性和压力脉动传播机理，为瞬态流动理论研究、工程设计以及实际操作过程提供依据。

水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心部件，是我国抽蓄电站国产化进程中的关键技术。近年来，随着抽水蓄能电站建设的需要，大容量、高参数的机组成为各个新建电站的首选，机组的安全性问题也成为国内外学者的关心，研究重点也向瞬态特性方面转移。本研究根据原定计划对水泵水轮机的瞬态过程特性进行了以下几方面进行研究并获得进展：.（1）瞬态过程是一系列偏离设计工况点组成的轨迹线，作为研究瞬态过程性能研究的基础，首先进行的是“S”特性曲线的数值模拟与内流机理分析，以验证数值计算的有效性。针对水泵水轮机“S”特性，采用全三维全流道的湍流稳态计算方法对“S”特性曲线的工况点进行了仿真计算。计算结果表明仿真曲线与模型试验曲线吻合良好。进一步地对“S”特性曲线的典型工况点的内部流场进行了分析，初步解释了“S”特性曲线形成的机理为活动导叶出口和转轮进口之间的无叶区内“挡水环”的阻塞作用。.（2）设计和加工了实验专用水泵水轮机转轮模型、测试专用水箱和管路，完善了数据测试手段，对可逆式水泵水轮机各种瞬态工况过程引起的瞬态特性进行详细的实验研究，并在哈尔滨大电机研究所的高水头试验Ⅱ台进行了模型转轮的性能试验。实验测得了转轮的全特性曲线、瞬态操作过程管路和机组内部特征点处压力脉动及典型瞬态工况的内部流场分布。.（3）针对水泵水轮机典型过渡过程—飞逸工况的三维流动进行了非定常流动流场分析。建立了导叶关闭及变转速条件下的三维流动数值计算方法并将实验结果与真机试验数据进行了对比验证。结合上述方法，对模型机导叶拒动条件下的飞逸过程进行了数值计算，并通过内部流场分析，对由转轮通道高压侧的动态失速引起的转速的不稳定现象进行了研究。