[发明专利]一种针对混流式水轮机在空载启动过程的分析方法

说明书

本申请公开了一种针对混流式水轮机在空载启动过程的分析方法，步骤包括：构建全计算域三维模型并获取混流式水轮机的三维数值模拟数据；对全计算域三维模型进行网格划分，得到划分结果；根据划分结果得到计算网格；根据计算网格得到时变边界条件；根据三维数值模拟数据和时变边界条件完成对混流式水轮机的力特性和能量损失的分析。本申请以计算流体动力学为手段，采用充分符合混流式水轮机空载启动过程实际情况的时变边界条件，依靠转子动力学方程实现混流式水轮机开机过程转轮转速的实时更新，以较高精度实现对混流式水轮机空载启动过程的瞬态数值模拟。

技术领域

本申请涉及水轮机技术领域领域，具体涉及一种针对混流式水轮机在空载启动过程的分析方法。

背景技术

目前，新型电力系统将以最大化消纳间歇性新能源如风能、太阳能为主要任务，这使得水电机组将更加频繁的参与电力系统中的调峰、调频中，水轮机将经历更多水力特性及其复杂的过渡过程，这对机组安全稳定运行提出了更加苛刻的挑战。特别地，确保水轮机能够快速、稳定、可靠地启动不仅是水轮机发挥其调峰、调频功能的先决条件，也是衡量水轮机性能的重要指标，对于进一步提升水轮机的研发、设计水平具有重要的现实意义。

而当下的大中型水电机组较多采用了混流式结构，混流式转轮作为水轮发电机组中的核心部件，在开机过渡过程中转轮将面对流场剧烈变化，随之带来了转轮受力、转矩等参数剧烈波动的问题，这些参数的剧烈波动会影响混流式水轮机的快速开机响应、缩短混流式水轮机的使用寿命。小浪底电站6号机组在投入运行仅6个月后，发现13个叶片全部产生了穿透性裂纹，最终通过了数年时间才发现机组在开机启动过程中存在着超出常规的动态应力值，从而导致了叶片裂纹的产生。

当前，针对混流式水轮机过渡过程流动特性的研究主要集中在试验研究和数值模拟两方面。试验研究需要严格按照有关标准对测试仪器的精度进行校准，需要提前确定测试工况重点监测的位置与变量，这往往依赖于试验人员的经验，也需要更高的经济成本。而且对于一些极端工况，考虑到水力振动问题，试验测试往往无法开展，且试验测试结果有限，难以提供流场的可视化分析结果；而数值模拟可以弥补试验测试无法在极端工况下进行的缺陷，可应用至水轮机增减负荷、甩负荷、飞逸等复杂过渡过程，也可用应用至水轮机尾水管涡带演化以及压力脉动特性的分析上。

混流式水轮机空载启动过程复杂多变，需要指定导叶运动以匹配真实的流场变化，给定匹配真实物理过程的时变边界条件，且水轮机转轮在水流作用力下做被动旋转，需要进行程序的二次开发以实现转轮的转速更新。基于上述原因，针对混流式水轮机空载启动过程转轮流动特性的三维数值模拟工作少有且难度较大。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本申请针对混流式水轮机在空载启动过程中的力特性与能量损失进行分析来实现高精度的瞬态数值模拟。

为实现上述目的，本申请提供了一种针对混流式水轮机在空载启动过程的分析方法，步骤包括：

构建全计算域三维模型并获取混流式水轮机的三维数值模拟数据；

对所述全计算域三维模型进行网格划分，得到划分结果；

根据所述划分结果得到计算网格；

根据所述计算网格得到时变边界条件；

根据所述三维数值模拟数据和所述时变边界条件完成对混流式水轮机的力特性和能量损失的分析。

优选的，所述全计算域三维模型包括：蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管。

优选的，得到所述划分结果的方法包括：对所述蜗壳、所述固定导叶、所述转轮和所述尾水管区域进行高质量结构化网格划分；对所述活动导叶区域进行非结构网格划分。

优选的，得到所述计算网格的方法包括：

设置湍流模型、定工况边界条件，对开机启动过程起始导叶开度下的初始计算域进行网格无关性验证，得到验证结果；