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水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性仿真分析研究摘要：随着风力发电、太阳能、潮汐能等能源的逐渐发展，对于电网负荷能力与稳定性提出了更高的要求，而抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能。
因此其核心组件水泵水轮机的安全运行成为了重中之重，而压力脉动是其运行不稳定的重要原因。
为了研究水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性，本文基于某水泵水轮机模型，利用 UG NX10.0 软件建立三维流域模型，并用 ICEM-CFD 软件对流域进行非结构化网格划分；应用 ANSYS-CFX 软件，对全流道在 10mm导叶开度下进行了多个工况点的数值模拟计算。
经分析，沿流动分布方向压力逐渐降低，活动导叶和转轮间的动静干涉对导叶后转轮前的压力脉动产生影响，峰值出现在9fn、18fn、27fn等处，与叶片数一致。
关键词：水泵水轮机，压力脉动。
1 前言与其他储能方式相比，抽水蓄能是当今世界上技术最成熟、最经济的大规模储存电能方式。
作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能，从而起到提高供电质量、保证供电安全、降低污染等功能。
目前西方发达国家抽水蓄能电站建设较多，总装机比重在 3%-10%，我国仅为 2%左右[1,2]。
水泵水轮机是抽水蓄能机组的核心设备，其具有适用性强、性价比高等特点。
作为可以双向运行的水力机组，转轮正反向运转分别进行水泵工况及水轮机工况，其未来发展方向为高水头、大容量、高转速化，但随之伴随着不稳定，压力流量脉动、汽蚀等问题严重，故需要妥善分析解决[3]。
水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心，其稳定运行直接关系着机组寿命和电站安全。
而由机组内部不稳定流动造成的水力振动，是机组不稳定运行的主要因素和内在原因。
诸多电站不稳定运行的实例（如俄罗斯撒杨水电站和岩滩水电站），充分说明了水力振动对机组安全运行的重要性。
冲击式水轮机的水动力性能测试与实验分析水轮机作为一种能够将水的动能转换为机械能的设备，在水利工程中扮演着重要的角色。
其中，冲击式水轮机由于其特殊的结构与工作原理，在水动力性能方面具有独特的特点。
本文将介绍冲击式水轮机的水动力性能测试与实验分析的相关研究与成果。
首先，冲击式水轮机的水动力性能测试是评价其工作效率和性能优劣的重要手段。
该测试主要包括定子流量特性试验、转子特性试验和效率试验等内容。
定子流量特性试验主要用于确定冲击式水轮机在不同流量下的流速以及对应的转速。
通过测量流量计和旋转测速仪器，得出转速-流量特性曲线，从而了解冲击式水轮机的水动力特性。
转子特性试验则是进一步探究冲击式水轮机的水动力性能的重要方法。
通过测量转子的压力、流速等参数，得出转速-功率特性曲线，以及转速-扬程特性曲线，可以评估冲击式水轮机在不同条件下的转动性能。
效率试验则是衡量水轮机整体性能的重要手段，通过测量输入功率与输出功率的比值，可以得出冲击式水轮机的效率值，从而进一步了解其水动力性能。
其次，实验分析是对冲击式水轮机水动力性能研究结果的进一步解读和分析。
通过将实验数据与理论计算结果进行对比和验证，可以评估冲击式水轮机的水动力性能是否达到设计要求。
实验分析还可以探索冲击式水轮机的运行参数优化与调整方法。
例如，通过改变定子和转子的几何形状，调整进口和出口的流道结构，可以提高冲击式水轮机的效率和功率输出。
实验分析还可以探讨冲击式水轮机对于水动力特性的敏感性研究，从而为其工程应用提供参考和指导。
在冲击式水轮机的水动力性能测试与实验分析方面，国内外学者已经取得了许多有价值的研究成果。
例如，某研究团队对冲击式水轮机的效率试验进行了大量细致的实验研究，得出了不同参数下冲击式水轮机的效率变化规律。
该研究表明，在一定转速范围内，冲击式水轮机的效率随着流量的增加而增加；而在较高转速下，流量增加对效率的提升不明显。
此外，该研究还发现，冲击式水轮机的几何形状对其效率具有显著影响。
第四节水轮机的模型试验一、水轮机的模型试验的意义前面讨论了水轮机相似的条件，这就从理论上解决了用较小尺寸的模型水轮机，在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮机。
按相似理论，模型水轮机的工作完全能反映任何尺寸的原型水轮机。
模型水轮机的运转规模比真机运转规模小的多，费用小，试验方便，可以根据需要随意变动工况。
能在较短的时间内测出模型水轮机的全面特性。
将模型试验所得到的工况参数组成单位转速和单位流量后，并分别以它们作为纵坐标及横坐标，按效率相等工况点连线所得到的曲线图称为综合特性曲线。
此综合特性曲线不仅表示了模型水轮机的工作性能，同样地反映了与该模型水轮机几何相似的所有不同尺寸，工作在不同水头下的同类型真实水轮机的工作特性。
水轮机制造厂可从通过模型试验来检验原型水力设计计算的结果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户提供水轮机的保证参数。
水电设计部门可根据模型试验资料，针对所设计的电厂的原始参数，合理地进行选型设计，并运用相似定律利用模型试验所得出的综合特性曲线，绘出水电站的运转特性曲线。
为运行部门提供发电依据，水电厂运行部门可根据模型水轮机试验资料，分析水轮机设备的运行特性，合理地拟定水电厂机组的运行方式，提高水电厂运行的经济性和可靠性。
当运行中水轮机发生事故时，也可以根据模型的特性分析可能产生事故的原因。
二、水轮机模型试验的方法水轮机的模型试验主要有能量试验，气蚀试验，飞逸特性试验和轴向水推力特性试验等几种。
由于篇幅所限，本教材主要介绍反击式水轮机的能量试验。
反击式水轮机的汽蚀试验可参阅有关参考文献。
能量试验台分为开敞式试验台和封闭式试验台，封闭式试验台无需设置测流槽，故平面尺寸要比开敞式试验小，而且水头调节更加方便，但封闭式试验台投资较高。
1. 开敞式能量试验台（1）开敞式能量试验台水轮机效率是水轮机能量转换性能的主要综合指标，因此，模型水轮机的能量试验主要是确立模型水轮机在各种工况下的运行效率。
水轮机的模型试验一、水轮机的模型试验的意义前面讨论了水轮机相似的条件，这就从理论上解决了用较小尺寸的模型水轮机，在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮机。
按相似理论，模型水轮机的工作完全能反映任何尺寸的原型水轮机。
模型水轮机的运转规模比真机运转规模小的多，费用小，试验方便，可以根据需要随意变动工况。
能在较短的时间内测出模型水轮机的全面特性。
将模型试验所得到的工况参数组成单位转速11n和单位流Q后，并分别以它们作为纵坐标及横坐标，按效率相等工况点连量11线所得到的曲线图称为综合特性曲线。
此综合特性曲线不仅表示了模型水轮机的工作性能，同样地反映了与该模型水轮机几何相似的所有不同尺寸，工作在不同水头下的同类型真实水轮机的工作特性。
水轮机制造厂可从通过模型试验来检验原型水力设计计算的结果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户提供水轮机的保证参数。
水电设计部门可根据模型试验资料，针对所设计的电厂的原始参数，合理地进行选型设计，并运用相似定律利用模型试验所得出的综合特性曲线，绘出水电站的运转特性曲线。
为运行部门提供发电依据，水电厂运行部门可根据模型水轮机试验资料，分析水轮机设备的运行特性，合理地拟定水电厂机组的运行方式，提高水电厂运行的经济性和可靠性。
当运行中水轮机发生事故时，也可以根据模型的特性分析可能产生事故的原因。
二、水轮机模型试验的方法水轮机的模型试验主要有能量试验，气蚀试验，飞逸特性试验和轴向水推力特性试验等几种。
由于篇幅所限，本教材主要介绍反击式水轮机的能量试验。
反击式水轮机的汽蚀试验可参阅有关参考文献。
能量试验台分为开敞式试验台和封闭式试验台，封闭式试验台无需设置测流槽，故平面尺寸要比开敞式试验小，而且水头调节更加方便，但封闭式试验台投资较高。
1. 开敞式能量试验台（1）开敞式能量试验台水轮机效率是水轮机能量转换性能的主要综合指标，因此，模型水轮机的能量试验主要是确立模型水轮机在各种工况下的运行效率。
水泵水轮机S区流动特性及压力脉动分析摘要：水泵水轮机运行调度过程中会反复经历偏工况的S特性区，在该特性曲线运行中水轮机系统会出现不稳定，严重时会造成机组损坏。
为研究水泵水轮机S特性曲线下不稳定的形成原因，本文选取水轮机工况、飞逸工况和制动工况三种S特性工况，采用SST 湍流模型对模型水泵水轮机进行全流道定常和非定常数值模拟，发现：水轮机工况向制动工况运行时，流道内部流量减少且流线愈发紊乱，涡分布范围逐渐增加且更加离散，可能造成较大水力损失；压力脉动幅值也逐渐增加，所有区域脉动幅值随偶数倍叶频递减，主频和次频分别为9fn 和18fn，受到动静干涉作用较为明显，转轮区域的低幅值高频脉动可能是S区域不稳定的来源。
关键词：S特性区；涡分布；流动特性；压力脉动Analysis on flow characteristics and pressure pulsation of Punp-turbine S-shaped RegionHugang Gong(Dongyuan Branch of Shenzhen Water Planning and Design Institute Co., Ltd., 410000, Changsha, China)Abstract: The pump-turbine operation and scheduling process will repeatedly experience the S-shaped region of the partial working condition, and the turbine system will be unstable in the operation of this characteristic curve, which will cause unit damage in a serious situation. In order to study the causes of instability under the S characteristic curve of pump-turbine, this paper selects three S characteristic conditions: turbine working condition, flyaway workingcondition and braking working condition, and adopts SST k-ωturbulence model to perform full-flow channel constant and non-constant numerical simulation of the model pump turbine. The pressure pulsation magnitude also increases gradually, and the pulsation magnitude in all regions decreases with even times of leaf frequency, and the primary and secondary frequencies are 9fn and 18fn respectively, which are more obviously affected by dynamic and static interference, and the low amplitude and high frequency pulsation inthe runner region may be the source of instability in the S region.Keywords: S-shaped region; vortex distribution; flow characteristics; pressure pulsation引言抽水蓄能机组既能调峰也能调谷[1]，相较于其他常规水电机组具有响应快，效率高和调节能力强等优点[2]。
国内图书分类号：TK124学校代码：10079 国际图书分类号：621.1 密级：公开硕士学位论文原型可逆式水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性的试验研究及分析硕士研究生：刘涛导师：杜小泽教授张宇宁副教授（副导师）申请学位：工学硕士学科：动力工程及工程热物理专业：热能工程所在学院：能源动力与机械工程学院答辩日期：2017年3 月授予学位单位：华北电力大学Classified Index:TK124U.D.C: 621.1Thesis for the Master Degree Experimental Study and Analysis of Characteristics of Pressure Fluctuation in Prototype Reversible PumpTurbine in Generating ModeCandidate：Tao LiuSupervisor：Prof. Xiaoze DuA.P．Yuning Zhang (assistant supervisor) Academic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality：Thermal EngineeringSchool：School of Energy, power and MechanicalEngineeringDate of Defence：March, 2017Degree-Conferring-Institution：North China Electric Power University本学位论文的研究得到以下项目的支持1、国家自然科学基金（编号：51506051）2、清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室2015年度开放基金项目（编号：sklhse-2015-E-01）3、武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放研究基金项目 (编号：2014SDG01)4、中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号：JB2015RCY04）摘要可逆式水泵水轮机集合了水泵与水轮机两种功能，并广泛应用于抽水蓄能电站。
水轮机模型压力脉动的测试及方法研究
作者：吴可君
来源：《中国新技术新产品》2015年第23期
摘要：随着我国对水利资源开发力度的加大，水轮机作为水利资源开发工程中的主要设备向着大尺寸、大功率的方向发展着。
在水轮机相似理论的指导下，水轮机模型试验在水轮机使用和发展方面有着重要作用，虽然水轮机模型压力脉动的测试结果不能完全反映到水轮机组上，但作为一种水轮机组压力脉动的参考方法，有着重要意义。
关键词：水轮机模型；压力脉动测试；计算机技术
中图分类号：TM312 文献标识码：A
1 水轮机模型试验的重要意义
1.1 水轮机相似理论
水轮机相似理论是研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确定运行参数之间换算关系的理论。
目前水轮机相似理论已经广泛应用于水轮机设计、制造、选型和最佳运行方案选择上，但由于水轮机水流条件复杂性，根据水轮机模型方法研究水轮机真机的相关特性，必须在保证水流运动相似的条件下进行。
2.2 水轮机模型的重要意义
由于水轮机组的电力工程属性普遍有着规模大、投资高、建设难的问题，水轮机试验人员在对水轮机进行设计、制造、选型等工作时无条件用真机对水轮机运行和各项特性进行试验和分析，导致用计算指导实践的弊病，一旦计算与实践脱节出现问题，损失不可估量。
依据水轮机相似理论，可以利用较小尺寸的模型在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮机，由于模型水轮机具有运转规模小、费用小、试验方便的特点，不但可以随着需要变动工况，还能在较短时间内对水轮机运行整体特性进行分析。
模型水轮机运行参数通过一定的曲线关系可指导真机运行和特性研究，利用模型水轮机运行功率和相关特性研究可在水轮机发电机组建设前提前选择好最佳机型和运行方案，对水轮机组高效的运行提供保证。
2 水轮机模型压力脉动测试
2.1 什么是压力脉动测试
压力脉动是指紊流中一点处压强随时间做随机变化的现象，是机组产生振动、噪音的重要原因之一，也是衡量机组稳定性的重要指标。
想要提高系统的工作品质就应对水轮机组内部的
压力脉动情况进行分析，并且通过改进相应结构和安装技术减少压力脉动对机组产生的影响，从而使机组能够更稳定的运行。
2.2 压力脉动测试的几种方法
传统的压力脉动测试主要有磁带记录仪记录法、图形记录法、数字记录法、计算机信息采集分析法等。
在这些方法中比较常用的是磁带记录仪记录法和计算机信息采集分析法。
磁带记录仪测试法作为传统方法中的常用手段，虽然能够对压力传感器传输的信号做到准确记录和自行分析，但由于计算主体仍然是凭借人力，因而受到人为影响的因素比较大，而且这种方法还存在着可重复性查、准确度低、速度慢的缺点。
而随着计算机技术发展开发的计算机数据采集分析法，通过对计算机系统的设计，不但可以加大试验测试的自动化程度，还能够提高试验速度和增加试验的准确性。
3 水轮机模型压力脉动测试的方法研究
针对水轮机模型压力脉动测试法的发展趋势和应用前景，本文主要以计算机数据采集分析法作为主要方法对水轮机模型压力脉动测试法进行研究。
3.1 测量设备
在计算机数据采集分析法中，应用的主要设备有压力传感器、信号放大器、示波器、计算机处理系统等。
在水轮机模拟压力脉动分析中，数据的采集是重中之重，因此我们可以选择带屏蔽属性的传输电缆和精度高、稳定性好的压力传感器，并且对压力传感器和放大器的位置进行计算和优选。
3.2 测点位置
水轮机压力脉动主要是由水力机械流道和流场中的叶片及导叶引起的。
压力测点位置除了通常在蜗壳进口、转轮与导叶之间以及尾水锥管的距转轮0.3～1.0倍直径处的上下游侧设置测点外，也可在肘管的弯管处及扩散管处布置压力测点。
在条件允许的情况下尽可能多布置一些压力测点，以便分析压力脉动在整个流场内的分布及传播情况。
3.3 数据采集
数据采集前首先要明确采样频率和时间。
如果采样频率过低，采集的波形可能不完整并会发生畸变；如较长时间使用很高的采样频率会导致没有足够的内存或硬盘，存储数据慢。
关于采样时间问题，虽然说采样时间越长所得数据越多分析结果越准确，但鉴于采样设备的硬盘大小和考虑到分析工作的工作量问题，应将采样时间控制在一个合适范围内，采用采样时间间隔Δt乘以采样数目N等于采样时间t的计算方法来确定采样时间的长短，数据采集完成后要对信号做适当处理，例如做傅里叶变换。
数据采集过程中尤其要注意采样频率和采样时间的确定，这两个因素将直接影响水轮机模型压力脉动分析的准确性，确定采样频率和时间要根据真机运行和使用特点对模型机采样频率和时间进行设定，使试验结果能够正确的指导真机的设计、安装和运行。
4 数据分析
压力脉动幅值取值的方法和准确性直接影响对水轮机水力性能的评价。
通常对于压力脉动幅值有以下几种分析方法。
（1）将N个采样数据{x1，x2，x3，…，xN}，依据下面的公式计算，即可得到压力脉动幅值的有效值（Xrms）：
（2）在有效值的基础上乘以，作为压力脉动幅值的单向振幅值（Xrms）。
（3）在有效值的基础上乘以2，作为压力脉动幅值的双向振幅值（2Xrms）。
（4）压力脉动幅值的峰峰值（PtoP）采用波形最大值与最小值的差值（置信度为97%）。
（5）同时计算压力脉动幅值的峰峰值与有效值（Pto Pand Xrms）。
（6）同时计算压力脉动幅值的峰峰值和单向振幅值（Pto Pand Xrms）。
（7）同时计算压力脉动幅值的峰峰值和双向振幅值（Pto Pand 2Xrms）。
目前，在水力机械行业，关于压力脉动幅值的取值方法还没有一个统一的标准，一般来讲，双向振幅值比峰峰值要偏低一些，峰峰值充分考虑到了压力脉动最恶劣的情况，所以，采用峰峰值更为合理。
结语
综上所述，计算机技术的应用不但减少了水轮机模型压力脉动的测试数据收集和处理难度，且由于计算机采集和分析处理数据更准确，因此水轮机模型试验结果在水轮机组实际应用时具有更好的指导作用。
参考文献
[1]邓隐北，孙合会，蔡桓，陈芝坤.符合中国市场需求的水轮机·发电机技术[J].水利电力科技，2012（04）.
[2]吴江，段利英，宾斌，廖一衡，谭韬宇.水轮机工作密封压力波动缺陷处理[J].水电自动化与大坝监测，2011（03） .。
