水利水电施工泵站水力稳定性分析

1、水利水电施工泵站水力稳定性分析 水利水电施工泵站水力稳定性分析 本文主要是从水力振动理论计算、水力脉动模型试验、真机现场实验和水力稳定性非定常CFD计算等4方面向当前研究发展举行了分析。按照对现有研究成绩的分析，指出了今后研究的方向。 我国泵机组的台数是世界之最，它的平安运行和由此产生的经济效益和社会效益影响很大。随着南水北调跨流域调水工程和全国大中型泵站改造的实施，对大型泵站工程的长时光牢靠平安稳定运行的要求将越来越高。本文分析了大型泵站水力稳定性主要影响因素，从水力振动理论计算、水力脉动试验、真机现场实验和水力稳定性非定常CFD计算等4方面举行了综述分析，指出了今后研究的方向。 1大型泵站

2、稳定性研究的重要性 基于下面4方面问题，当前大型泵站水力稳定性研究显得更为重要和迫切。 11近来大型泵站运行水力稳定性问题越来越多，问题越来越严峻 东深供水工程l6座泵站检修时发觉叶片断裂现象，某泵站自建站以来机组水力振动问题始终未根本解决，国内外泵站机组水力振动引起其他部件破坏的事例也时有发生。 12泵站机组逐步趋向高速化、大型化，要求有更良好运行的稳定性 以南水北调工程为代表的在建调水工程，预示着我国泵站工程建设的进展进入一个新的时代，其显著特点是机组尺寸不断增大、转速增强。随着轴流泵站参数的不断提高，影响机组平安稳定运行的未知因素也会相应增多，因此设计中预防和解决泵站振动的措施越发复杂和

3、困难，有须要提前着手更深化的研究。 13水头变幅大的轴流泵站水力稳定性尚需深化研究 泵站在运行时水头变化对工况影响较大，在偏离设计工况较远时泵站运行易发生不稳定现象，因此，在泵站的水力设计、选型及结构设计时须对其运行稳定性举行深化研究。 14全国大型泵站改造中水力稳定性研究至关重要 国家正在实施大中型泵站改造，泵站增容改造主要有两种途径：提高泵站水力效率；加大泵站流量。因进出水流道中无法举行改造，增强流量后其流道内压力脉动值以及各机械部件的振动值的增大在所难免。为此对泵站改造而言，首要问题是确保其振动幅度的增大应在不影响正常平安运行的范围之内，即要有预报改造后机组运行稳定性的牢靠方法，来保证泵

4、站增容改造目标的顺当实现。 2影响大型泵站稳定性的主要因素 众所周知，效率、气蚀和稳定性是泵站的三个重要指标。效率关系到能量转换程度，气蚀关系到泵的使用寿命，而稳定性关系到泵站是否能够平安运行。研究表明，泵站的振动是影响稳定性的主要因素，而振动主要有机械振动、电磁振动和水力振动三种类型，机械振动和电磁振动一般是可以消退或减轻的，因为引起水力振动的缘由错综复杂，因此消退或减轻水力振动就困难的多。特殊是泵站偏工况运行时，水力振动的影响尤为显然。正是因为水力振动而限制了泵站的运行工况，从而影响泵站效益的发挥，同时因为机组的长期振动，而导致机组部件的疲惫甚至遭到破坏，严峻阻碍机组的平安运行和效益。 研

5、究表明水力机组内部非定常流淌是产生水力振动的主要内在缘由。泵站运行时进水流道内涡带、出水流道出流不匀称、转轮内脱流、水泵叶轮与导叶动静干涉产生的压力脉动等水力现象是导致泵站水力不稳定的主要因素。刘超等l_2通过对泵段和泵装置特性曲线举行分析，争论了管路特性和泵装置的相像问题并提出了轴流泵站不稳定工作区对机组水力启动和正常运行时稳定性的影响。因为人们对泵站稳定性的认识比较晚，加之问题本身复杂，难点多，牵涉到多个学科，需要复杂的计算工具和先进的测试仪器，使得我们对稳定性的认识远没有对效率温和蚀现象的认识深刻，随着泵站单机容量的提高，机组尺寸的增强，相对刚度的削弱，泵站稳定性问题日益突出。 3相关研

6、究发展 目前水力稳定性研究手段主要有理论计算研究、模型试验研究、真机现场实验和非定常CFD分析，国内外学者开展了大量的研究工作，取得了一些可用于工程实践的研究成绩。 31理论计算 叶轮与流体的互相作用不仅会激发叶片的剧烈振动，严峻时还会导致叶片产生疲惫断裂、动力失稳等影响机组平安运行的大事。基于有限元法的位移压力格式及Galerkin法对转轮叶片流体组成的流固耦合系统举行离散，建立了水力振动控制方程，在此基础上对转轮及单个叶片的耦合模态举行了计算，具体分析了转轮及叶片在水中的动力特性，发觉叶片在流固耦合状况下的一些新的特性。采用流固耦合技术，求解流体与固体的耦合方程，对轴流式叶片举行了振动特性

7、分析，分离计算了叶片在空气中和水中的固有频率；并比较了轴流式叶片在空气中与水中固有频率的变化，分析了叶片在水中的振型。因为泵站系统的复杂性，如何建立叶轮的振动与囫囵系统水力稳定性关系还有待深化。 32模型试验 模型试验研究是稳定性研究的重要技术手段，通过对水力效率、气蚀系数以及水压力脉动逻辑的研究来提高模型水力性能及稳定性。水力机组流道内涡带引起的压力脉动是影响稳定性的重要方面，Rheingans最早通过模型试验得出结论，频率为机组转速的025O33的压力脉动，导致了尾水管内和水电站的振动现象。Kubota在试验室观测到尾水管压力脉动的振幅与空化系数关系，指出尾水管压力脉动的振幅主要取决于运行

8、流量与设计流量的比值，当该比值临近055时，消失最大振幅。大多数研究者认为，因为受涡核运动的影响，使的水力机组受到频率约为转频的025O33(甚至达05)的脉动压力作用，此外，脉动压力的振幅受运行水头和流量的制约。 33真机现场实验 因为引起水力振动逻辑尚不非常清晰，模型和真机的某些水压力脉动关系也不能彻低模拟及换算。因此，真机的水力振动特性及减小水力脉动的措施，务必在相应真机上举行现场实验测试，弄清振动部位并分析其振动缘由，解决真机振动问题。同时还可以通过大量的真机实验，归纳总结出水力振动的个性问题，找出模型与真机水力脉动的换算方法。ThierryJacob对140MW混流式水轮机大负荷区的

9、压力脉动举行分析，着重举行转轮泄水锥、实验水头和尾水隧洞的影响研究。通过对土尔其卡拉乔伦2号机真机实验，对混流式水轮机水力不平衡引起的自激振动问题举行争论，提出消退振动故障的对策。 34非定常CFD分析 随着计算机技术和流体动力学(CFD)的进展，对于水力稳定性研究重点从实验研究转为利用CFD技术对其举行数值模拟和分析。通过内部流场的非定常数值解析，研究流道内各种不稳定因素引起的水力振动和水压力脉动，如导叶和转轮叶片尾部的卡门涡列、静止叶栅和动叶之间的静动翼干涉和涡带等不稳定因素对于机组稳定性的影响l1“Wang应用数学上的涡运动理论，建立了一种容易而可行的涡模型来预估压力脉动的问题。Pupr

10、echtl1。应用三维涡动力学的计算方法计算了水电站尾水管在部分负荷下的压力脉动。HakanNilsson利用CFD技术对GAMM混流式水轮机转轮举行了空化等性能的研究，并与试验结果比较，利用CFD方法对混流式水力机组举行了三维非定常湍流计算，着重对水轮机的压力脉动举行了预报，从而获得了机组的稳定性状况。Felixc利用CFX-TASCflow软件的紊流模型对混流泵站整体举行了计算，采用稳态和非稳态的界面模型举行计算和比较分析。 4研究展望 从目前研究发展来看，大型泵站水力稳定性研究相对于水电站来是说还显得很薄弱，还尚未形成一套完整的研究体系和方向。但基于目前国家重大工程建设的需要，笔者认为应通过理论分析、数值模拟和试验验证相结合的方法开展大型泵站的水力稳定性研究，并在以下方面绽开深化研究