吳廣寬， 羅興锜， 趙強(qiáng)， 馮建軍

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

水泵水輪機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性研究

吳廣寬， 羅興锜， 趙強(qiáng)， 馮建軍

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

為了研究水泵水輪機(jī)內(nèi)部不同部位處的壓力脈動(dòng)特性，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下水泵水輪機(jī)三維全流道內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了非定常數(shù)值計(jì)算，同時(shí)監(jiān)測(cè)了蝸殼隔舌附近、頂蓋處、轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉之間以及尾水管錐管處的壓力脈動(dòng)。通過(guò)分析計(jì)算所得的壓力脈動(dòng)結(jié)果表明：機(jī)組頂蓋區(qū)域壓力脈動(dòng)相對(duì)較為明顯，水輪機(jī)工況下的脈動(dòng)頻率以2倍葉倍頻為主，水泵工況時(shí)脈動(dòng)頻率以1倍的葉倍頻為主；對(duì)于轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間的無(wú)葉區(qū)域，水泵工況和水輪機(jī)工況脈動(dòng)頻率均為1倍葉倍頻，且該處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率主要由于轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉產(chǎn)生；在轉(zhuǎn)輪內(nèi)水輪機(jī)工況時(shí)的壓力脈動(dòng)頻率呈現(xiàn)多樣性，水泵工況時(shí)則都以轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)為主；尾水管直錐段的主頻率在最優(yōu)工況下等于1倍葉倍頻，振動(dòng)幅值較小。

水泵水輪機(jī)； 內(nèi)部流動(dòng)； 壓力脈動(dòng)； 數(shù)值計(jì)算

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行提出了更高的要求。抽水蓄能電站具有獨(dú)特的工作方式，是一種值得推廣的有效蓄能裝置。做為抽水蓄能電站的核心部件，我國(guó)的水泵水輪機(jī)的研發(fā)依然處于引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的階段[1]，對(duì)其運(yùn)行不穩(wěn)定性的研究也尚未成熟，而機(jī)組內(nèi)部的壓力脈動(dòng)特性是引起機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的重要因素，因此有必要開展水泵水輪機(jī)內(nèi)部的壓力脈動(dòng)特性研究，以保證水泵水輪機(jī)在兩種工況下均能穩(wěn)定高效地運(yùn)行[2]。

目前研究水泵水輪機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性的方法主要有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種。與實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值模擬方法擁有時(shí)間周期短、精度高、花費(fèi)少的優(yōu)點(diǎn)[3]。冉紅娟等[4]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口處的兩段區(qū)域的流態(tài)和水泵工況駝峰區(qū)形成的聯(lián)系。王煥茂[5]的碩士論文中詳細(xì)闡述了混流式水泵水輪機(jī)駝峰區(qū)的流動(dòng)特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)駝峰區(qū)水泵水輪機(jī)的流動(dòng)進(jìn)行了研究。王樂勤、劉迎圓等[6]通過(guò)比較水泵水輪機(jī)在泵工況下相同工況時(shí)不同測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間壓力脈動(dòng)最大，轉(zhuǎn)輪與頂蓋之間次之，而蝸殼進(jìn)口和尾水管處壓力脈動(dòng)最小。

盡管數(shù)值計(jì)算有許多優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)驗(yàn)分析對(duì)于水泵水輪機(jī)的重要性依然不可取代。Gabriel Dan Ciocan等[7]利用LDV和PIV技術(shù)以及非穩(wěn)定五傳感器探針,對(duì)水泵水輪機(jī)泵工況下運(yùn)行時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)域進(jìn)行了測(cè)量，獲得了活動(dòng)導(dǎo)葉各個(gè)流道內(nèi)的瞬時(shí)速度分布。Masahiro Miyabe等人[8]通過(guò)對(duì)泵駝峰區(qū)域的 PIV 測(cè)量以及數(shù)值模擬研究分析，認(rèn)為駝峰區(qū)域的產(chǎn)生和擴(kuò)散段的旋轉(zhuǎn)失速單元有密切的聯(lián)系。

為研究分析水泵水輪機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性，本文采用非定常數(shù)值模擬的方法對(duì)某抽水蓄能電站模型機(jī)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了非定常計(jì)算，比較了不同測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)的大小，并對(duì)壓力脈動(dòng)的頻率成分進(jìn)行了分析研究。

1 計(jì)算模型建立及網(wǎng)格劃分

水泵水輪機(jī)全流道計(jì)算域包括蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管，采用三維軟件UG對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行建模，并使用ICEM軟件對(duì)各個(gè)過(guò)流部件進(jìn)行高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格劃分，各個(gè)部件網(wǎng)格如圖1所示。

本文在進(jìn)行水泵水輪機(jī)全流道數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，所有過(guò)流部件網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并且對(duì)葉柵過(guò)流部件即固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的固體壁面附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密，在開展全流道數(shù)值計(jì)算前，需要對(duì)數(shù)值模擬所用網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性分析。

由于所研究的對(duì)象為水泵水輪機(jī)，其在運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)包含水輪機(jī)狀態(tài)和水泵狀態(tài)兩種，因此本文在進(jìn)行全流道計(jì)算網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證時(shí)以水輪機(jī)最優(yōu)工況點(diǎn)下的水力效率以及水泵最優(yōu)工況點(diǎn)下的揚(yáng)程作為評(píng)判依據(jù)，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看出，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)大于435萬(wàn)時(shí)，全流道計(jì)算所得的水輪機(jī)效率以及水泵揚(yáng)程已經(jīng)基本保持不變，因此全流道網(wǎng)格采用總網(wǎng)格數(shù)408萬(wàn)、總節(jié)點(diǎn)數(shù)435萬(wàn)的方案。

2 湍流模型及邊界條件給定

水泵水輪機(jī)內(nèi)部的水流雷諾數(shù)較大，其多為湍流，雖然湍流的流動(dòng)十分復(fù)雜，但是其基本的流動(dòng)特性依然滿足自然界的基本規(guī)律：質(zhì)量守恒、能量守恒以及動(dòng)量守恒。控制方程與相應(yīng)的初始條件、邊界條件的組合構(gòu)成對(duì)一個(gè)物理過(guò)程完整的數(shù)學(xué)描述。

其中連續(xù)方程可表示為：

(1)

N-S方程是不可壓縮粘性流體的普遍方程，是流體運(yùn)動(dòng)必須要滿足的動(dòng)力學(xué)條件，在笛卡爾坐標(biāo)系中，N-S方程的微分表達(dá)形式為：

(2)

式中，ui為瞬時(shí)速度，p為瞬時(shí)壓強(qiáng)，ρ為密度，ν為流體分子運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，fi為體積力。

本文采用SSTk-ω湍流模型對(duì)雷諾方程封閉并進(jìn)行模擬。SSTk-ω湍流模型控制方程為：

(3)

(4)

式中，Pk為湍流生成項(xiàng)，F(xiàn)1為混合函數(shù)。

計(jì)算過(guò)程中給定的邊界條件為：水輪機(jī)工況進(jìn)口給定質(zhì)量流量，出口給定靜壓；水泵工況進(jìn)口給總壓，出口給定流量；固體壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，非定常計(jì)算總時(shí)間為0.5 s(即轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)間8圈以上)，將轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)2°所需的時(shí)間作為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，瞬態(tài)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域交界面模式選擇Transient Rotor Stator模式進(jìn)行求解。

3 水泵水輪機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性分析

3.1 數(shù)值計(jì)算可靠性分析

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性，選擇水輪機(jī)工況下導(dǎo)葉開度為21.51°時(shí)5個(gè)工況點(diǎn)以及水泵工況下導(dǎo)葉開度為21°時(shí)的5個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬所得的能量特性結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，各計(jì)算點(diǎn)的工況如表1所示。

通過(guò)定常數(shù)值計(jì)算，獲得水輪機(jī)與水泵工況下性能參數(shù)值。計(jì)算所得的性能參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比如圖3所示。從圖3可看出，在水輪機(jī)工況下，數(shù)值模擬得出的水輪機(jī)最優(yōu)效率出現(xiàn)在工況點(diǎn)T2和T3之間區(qū)域，而模型實(shí)驗(yàn)最優(yōu)區(qū)出現(xiàn)在T4號(hào)工況點(diǎn)。在水泵工況下，通過(guò)將數(shù)值計(jì)算獲得的5個(gè)工況點(diǎn)下的水力效率值以及水泵的揚(yáng)程值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)比，可以明顯看出，在工作流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，數(shù)值計(jì)算所得的揚(yáng)程數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值最為接近，而當(dāng)工作流量數(shù)值小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，計(jì)算所得的揚(yáng)程值與實(shí)驗(yàn)值的偏差增大。

為了更詳細(xì)地分析數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差，定義相對(duì)偏差ε為：

(5)

式中，fCFD為數(shù)值計(jì)算得出的性能參數(shù)值，fEXP為實(shí)驗(yàn)得出的性能參數(shù)值，相對(duì)偏差ε為無(wú)量綱量。

根據(jù)式(5)計(jì)算得出的相對(duì)偏差如圖4所示。從圖4可看出，在所計(jì)算的5個(gè)工況點(diǎn)中，CFD數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差都在3%以內(nèi)，說(shuō)明所采用的網(wǎng)格、湍流模型以及數(shù)值計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況和水泵工況下的流動(dòng)特性，同時(shí)也證明采用數(shù)值模擬方法研究水泵水輪機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性具有有效性和可靠性。

3.2 全流道壓力脈動(dòng)計(jì)算結(jié)果分析

在驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性以后，采用相同的網(wǎng)格、湍流模型以及計(jì)算方法對(duì)水泵水輪機(jī)全流道進(jìn)行非定常計(jì)算以捕捉各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性，計(jì)算工況點(diǎn)分別為水輪機(jī)最優(yōu)工況和水泵最優(yōu)工況點(diǎn)。本文選擇總模擬時(shí)間為8倍的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)周期，選取穩(wěn)定后的最后一個(gè)周期進(jìn)行脈動(dòng)壓力頻譜分析。

為了獲得詳盡的水泵水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)特性以及正確把握機(jī)組的壓力脈動(dòng)特性，本文參照機(jī)組模型實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置布置圖，在水輪機(jī)全流道內(nèi)一共布置了10個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱和位置如表2和圖5所示。本文主要對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)的時(shí)域特性及頻幅特性開展研究，在通過(guò)計(jì)算獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)數(shù)值后對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換得到壓力脈動(dòng)頻譜圖，然后對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)分析(注：f0為機(jī)組各自工況的轉(zhuǎn)頻，單位為Hz，Zb為葉片數(shù)，fb=Zb*f0為葉倍頻)。

3.2.1 蝸殼壓力脈動(dòng)分析

蝸殼由于跟引水鋼管相連接，因此必須研究其內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性，防止引起引水鋼管的共振。由圖6可知：水輪機(jī)工況時(shí)，蝸殼監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)波峰、波谷分別約出現(xiàn)18次。同樣可由壓力脈動(dòng)頻譜圖可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)一階主頻率約為2fb；二階主頻率為1fb。水泵工況時(shí)，蝸殼監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)沒有出現(xiàn)類似周期性的壓力脈動(dòng)，壓力值振幅隨時(shí)間波動(dòng)較水輪機(jī)工況大，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜圖分析可知，脈動(dòng)頻率均小于葉倍頻，一階主頻約為0.8fb，二階主頻約為0.4fb，頻率值分布均勻，頻譜峰值不明顯。水輪機(jī)工況時(shí)，蝸殼區(qū)域的壓力脈動(dòng)主要受轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉誘發(fā)的壓力脈動(dòng)影響而產(chǎn)生，因此其頻率通常為葉片的旋轉(zhuǎn)通過(guò)頻率的倍數(shù)，而在水泵工況時(shí)，蝸殼內(nèi)部水流受到固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉尾跡渦的影響使得內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定，因此其壓力脈動(dòng)的頻譜峰值不明顯。

3.2.2 機(jī)組頂蓋處壓力脈動(dòng)分析

圖7給出了計(jì)算所得的機(jī)組頂蓋處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息。由圖7可知：對(duì)于水輪機(jī)工況，頂蓋監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一個(gè)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)約有18個(gè)波峰和波谷，振動(dòng)頻率均為2倍的葉倍頻；水泵工況下轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一周約有9個(gè)波峰波谷，振動(dòng)頻率約為1倍的葉倍頻。在水輪機(jī)工況， 頂蓋監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)頻率較高，而在水泵工況下，頂蓋監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的水流壓力脈動(dòng)頻率較低，通常引起水力不穩(wěn)定性的水流壓力脈動(dòng)都是低頻脈動(dòng)，因此，頂蓋處的壓力脈動(dòng)在水泵工況下更容易成為誘發(fā)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定性的因素。水輪機(jī)工況下，頂蓋測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)同樣是由轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用誘發(fā)，因此其頻率成分通常為葉片的旋轉(zhuǎn)通過(guò)頻率或其倍數(shù)；在水泵工況下，頂蓋處的測(cè)點(diǎn)由于距離轉(zhuǎn)輪更近，因此與蝸殼區(qū)域的測(cè)點(diǎn)相比，其壓力脈動(dòng)頻率成分中葉片旋轉(zhuǎn)通過(guò)頻率更加明顯，表明水泵工況下該測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)主要也是由轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用誘發(fā)。

3.2.3 轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉間的壓力脈動(dòng)分析

轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉之間的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)是導(dǎo)致水泵水輪機(jī)振動(dòng)和噪聲的主要根源，而且當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉出水邊與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口邊的間隙較小，脈動(dòng)壓力將直接作用到葉片進(jìn)水邊與上冠、下環(huán)的連接處，從而直接對(duì)葉片的疲勞壽命產(chǎn)生影響。

圖8給出了機(jī)組在水輪機(jī)最優(yōu)工況以及水泵最優(yōu)工況下無(wú)葉區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖及頻幅特性。通過(guò)對(duì)圖8進(jìn)行分析可知，在一個(gè)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，水輪機(jī)工況下波峰、波谷數(shù)大約為9個(gè)，經(jīng)快速傅立葉變換也可知監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率為1倍的葉倍頻。水泵工況和水輪機(jī)工況類似，有9個(gè)波峰及波谷，振動(dòng)一階主頻率為一倍的葉倍頻，同時(shí)也有小于葉倍頻的低頻振動(dòng)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)頻幅特性進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間的壓力脈動(dòng)主要為轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉誘發(fā)的葉片頻率壓力脈動(dòng)。在水泵工況下，除了轉(zhuǎn)子和定子動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)外，還存在一些次低頻壓力脈動(dòng)，這些次低頻壓力脈動(dòng)主要是由于轉(zhuǎn)輪葉片出口尾跡渦與導(dǎo)葉相互影響而產(chǎn)生，這些次低頻壓力脈動(dòng)也有可能成為誘發(fā)定子(即固定導(dǎo)葉)振動(dòng)的因素。

3.2.4 轉(zhuǎn)輪區(qū)壓力脈動(dòng)分析

圖9給出了轉(zhuǎn)輪區(qū)域所布置的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息，轉(zhuǎn)輪區(qū)域上的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出水邊的葉根處，通過(guò)分析這幾處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)信息能為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出水邊的疲勞壽命優(yōu)化提供依據(jù)。

由圖9可知，對(duì)于轉(zhuǎn)輪區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言，水輪機(jī)工況下四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率成分中均包含2倍的葉片旋轉(zhuǎn)通過(guò)頻率，靠近導(dǎo)葉的監(jiān)測(cè)點(diǎn)rna和rnb處壓力脈動(dòng)的振動(dòng)幅度比遠(yuǎn)離導(dǎo)葉的監(jiān)測(cè)點(diǎn)rnc和rnd處的壓力脈動(dòng)振動(dòng)振幅大，這是因?yàn)榫嚯x轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉處越近其受動(dòng)靜干涉作用影響越大。在水泵工況下，由于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速高且轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處無(wú)任何導(dǎo)流部件，因此rna和rnb處壓力脈動(dòng)頻率主要為轉(zhuǎn)頻，而轉(zhuǎn)輪出口處的rnc和rnd處的壓力脈動(dòng)也主要受轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場(chǎng)周期性變化的影響，因此其壓力脈動(dòng)頻率成分也以轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)為主。

從上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻率成分可知以下兩點(diǎn)。

1) 對(duì)于水輪機(jī)工況，rna和rnb測(cè)點(diǎn)上的壓力脈動(dòng)都可歸屬為葉片頻率壓力脈動(dòng)[10]，葉片頻率壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有以下兩點(diǎn)：第一，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口斷面或者出口斷面處的水流速度、壓力分布不均勻；第二，葉片與水流的相互沖而產(chǎn)生的水壓力值的脈動(dòng)。rnc和rnd測(cè)點(diǎn)上的壓力脈動(dòng)主頻主要是低頻，其產(chǎn)生的原因是因?yàn)槭艿搅巳~片尾跡渦及尾水管渦帶的影響。

2) 對(duì)于水泵工況，由于轉(zhuǎn)輪前的引水部件對(duì)流體的流態(tài)并無(wú)太大影響，因此轉(zhuǎn)輪內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的壓力及流態(tài)主要受轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)所引起的周期性變化的流場(chǎng)影響，所以其壓力脈動(dòng)頻率主要是轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)。

3.2.5 尾水管壓力脈動(dòng)分析

在水泵工況時(shí)，尾水管主要作為引水管道使用，在其內(nèi)部水流流動(dòng)較為平穩(wěn)，因此其壓力脈動(dòng)較小，所以在本文中不單獨(dú)分析，而對(duì)于水輪機(jī)工況，尾水管錐管段的水壓力脈動(dòng)是引起機(jī)組不穩(wěn)定性的主要因素，所以本文只針對(duì)水輪機(jī)工況下尾水管的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析。

圖10給出了水輪機(jī)工況下尾水管直錐段上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息。

尾水管錐管處測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主要受轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)的影響，只有當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在偏離最優(yōu)點(diǎn)的工況時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪出口水流的圓周速度與切向速度達(dá)到一定的比例關(guān)系下才會(huì)形成渦帶，而在最優(yōu)工況下，轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)均勻穩(wěn)定，沒有渦帶產(chǎn)生。

因此如圖10所示，錐管處測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率主要為1倍轉(zhuǎn)頻，沒有低頻壓力脈動(dòng)，只有當(dāng)工況偏離最優(yōu)工況時(shí)，該處壓力脈動(dòng)的頻幅特性才會(huì)呈現(xiàn)多樣性。

4 結(jié) 論

1) 在所計(jì)算的五個(gè)工況點(diǎn)范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算所得的水泵水輪機(jī)性能參數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差都小于3%，這表明采用數(shù)值計(jì)算方法研究水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律具有有效性和可靠性，也說(shuō)明通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法研究水泵水輪機(jī)內(nèi)部的壓力脈動(dòng)特性具有可行性。

2) 通過(guò)對(duì)水泵水輪機(jī)內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于蝸殼區(qū)域，水輪機(jī)工況下的壓力脈動(dòng)以二倍葉倍頻為主，水泵工況下壓力脈動(dòng)以0.8倍葉倍頻為主。對(duì)于水輪機(jī)頂蓋區(qū)域，水輪機(jī)工況下測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)頻率為2倍葉倍頻，水泵工況下測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)頻率均為1倍葉倍頻。對(duì)于轉(zhuǎn)輪區(qū)域，水輪機(jī)工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力以2.2倍葉倍頻為主，而水泵工況下的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率則主要為轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)。對(duì)于尾水管區(qū)域，直錐管監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要受轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)的影響，壓力脈動(dòng)頻率約為1倍的葉倍頻。

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(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

Research on characteristics of pressure fluctuation in a pump-turbine

WU Guangkuan， LUO Xingqi， ZHAO Qiang， FENG Jianjun

(Faculty of Water Resources and Hydroelectric Engineering, Xi’an University of Technology,Xi’an 710048, China)

In order to study the pressure fluctuation characteristics on different parts of the pump-turbine, this paper adopts computational fluid dynamics software to conduct unsteady numerical calculation on three-dimensional full port internal flow under the design point of the pump-turbine, and simultaneously monitors pressure fluctuation on places near the volute tongue insulation, on the head cover, between the runner and the guide vane and in the draft tube taper pipe. It can be concluded from the analysis and calculation of the pressure fluctuation results that: in the head cover area of the units, pressure fluctuation is relatively obvious and under the turbine working condition, the pulse frequency is mainly twice as much as the leaf frequency. Moreover, under the pump condition, the pulse frequency is mainly one time as much as the leaf frequency. For the bladeless area between the runner and the guide vane, pulse frequency under both pump condition and turbine condition approaches one time of the leaf frequency, and pressure pulsation frequency under this monitor point is mainly resulted by rotor-stator interaction between the runner and the guide vane. In the runner area, the pressure pulsation frequency under turbine condition shows diversity, while the frequency under pump condition is mainly multiple of rotating frequency. The main frequency of the draft tube's straight taper section under the optimal condition equals to one time of the rotating frequency, and the vibration amplitude is relatively smaller.

pump-turbine; internal flow; pressure fluctuation; numerical calculation

1006-4710(2015)03-0265-08

2015-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51339005，51379174，51479167)。

吳廣寬，男，博士，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械水動(dòng)力特性數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)。E-mail:wuguangkuan@163.com。

羅興锜，男，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械流動(dòng)理論及優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail:luoxq@xaut.edu.cn。

TP391.9

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