考虑水压力的混流式转轮振动特性分析

采用CFD技术对混流式水轮机进行全流道流动计算,将流动计算得到的水压力分布以离散点的形式作用于转轮过流表面;考虑离心力的作用并基于有限元技术,对混流式水轮机的整体转轮和单个叶片的振动特性进行了分析,对水压力和旋转离心力联合作用下混流式转轮振动特性的变化进行了研究.结果表明,在不同工况下运行时,水压力和旋转离心力对转轮和叶片的振动特性有不同程度的影响.在工程实际中应对此影响进行分析,为水力机组的稳定运行提供依据.     

轴流式水轮机流道内压力分布对幼鱼影响研究

大坝建设阻隔了洄游性鱼类的洄游通道,对鱼类的生长繁殖带来影响.鱼类通过水轮机流道下行过坝面临各种损伤威胁,设计对鱼类损伤最小的亲鱼型水轮机是目前解决鱼类安全过坝问题的关键措施之一.本文在构建轴流式水轮机全流道数值模型及典型鱼类压力适合阈值的基础上,运用水轮机典型工况下流道压力分布数值模拟结果对过机鱼体进行损伤分析.研究结果表明,设计工况下,轴流式水轮机转轮至尾水管直锥段区域有较大的压力突变,转轮自叶片进口至叶片出口呈现负向压力梯度状态;叶片出口至尾水管直锥段区域呈现正向压力梯度状态.根据内河流域特有鱼种压力损伤阈值得出转轮至尾水管直锥段区域是鱼体通过轴流式水轮机下行受压力损伤的主要区域,其研究成果可为有利于鱼类下行的水轮机流道的优化设计提供借鉴.     

超高水头混流式长短叶片转轮内部流动数值模拟

对超高水头混流式长短叶片转轮内部流动进行数值模拟分析.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,选用Spalart-Allmaras一方程湍流模型使方程组封闭,通过贴体坐标下的有限体积法对控制方程进行离散,数值求解采用SIMPLIC算法.通过计算得出不同工况下长短叶片转轮内部流动的速度及压力分布,发现不同工况下短叶片表面的压力分布规律与长叶片基本相同.与常规转轮叶片流场比较发现,在上冠流面和中间流面上二者有相似的翼型压力分布规律,而在下环流面上长短叶片转轮翼型表面压力分布要优于常规叶片转轮,因而具有更好的空蚀性能.     

带分流叶片水泵水轮机特殊工况内部流场特性

基于国内某抽水蓄能电站建立的水力模型并结合该模型试验报告,采用SSTk-ω模型计算带分流叶片水泵水轮机7.5°导叶开度下零流量工况附近的制动工况和反水泵工况,进行定常和非定常数值模拟,研究其内部流场压力分布、速度流线分布及径向力分布规律.结果表明:计算流体动力学数值计算可以很好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内部流场特性;制动工况下的流态很差,涡结构充满整个流道引起水流拥堵且成不对称分布;反水泵工况导叶和转轮出现了严重的流动分离,水流在叶片中上游发生冲击;分流叶片的存在减小了负压区域,降低了汽蚀现象发生的可能性,有助于水轮机内部水流流动更加平稳;带分流叶片水泵水轮机的径向力在一个周期内的变化规律与转轮叶片数强关联,峰谷值个数与叶片数相对应.     

混流式水轮机叶片出水边三角块尺寸对转轮应力影响研究

针对混流式水轮机转轮叶片出水边与上冠连接处应力过大、容易出现裂纹的问题,采用在该处添加补强三角块以改善该处的应力分布。本文主要研究了两个计算工况下,不同尺寸三角块对转轮应力的改善情况,同时分析了对转轮的变形、叶片压力分布、尾水管涡量、水轮机效率的影响。结果表明:在两个计算工况下,当三角块两个边长为转轮标称直径的5.7%时,水轮机其他水力性能基本不变,且转轮的最大应力值降低分别为26.9%和29.5%,且最大应力位置转移到了叶片出水边与三角块出水边相接的转角处,叶片出水边和上冠连接处的应力明显减小,这对于改善转轮叶片出水边与上冠连接处的应力、避免焊缝处裂纹的发生和水轮机的安全稳定运行均具有重要的意义。     

水轮机尾水管水压力脉动与运行工况的关系

以三峡水电站水轮机运行工况为模拟条件,进行了混流式水轮机尾水管压力脉动试验研究;分析了在水头变幅较大的工况下混流式水轮机尾水管水压力脉动与转轮出口水流环量及单位参数之间的关系．研究结果表明,适当选定混流式水轮机额定参数对减轻尾水管水压力脉动是十分有效的．     

减少叶片数后水轮机水力性能的CFD预估及应用

针对小型径流式电站卧式水轮机在夏季汛期运行中频繁堵塞而影响正常发电的问题,从增加水轮机出力与过流能力的角度考虑减少叶片数进行改造.利用数值模拟的方法对不同工况下改造前后的水轮机全流道进行数值计算,研究改造前后叶片表面的压力分布,着重分析改造前后叶片数对水轮机水力性能和气蚀性能的影响,得到改造前后的水轮机动力学差异.减少叶片数,叶片间开口增大,机组的防堵塞性能得到改善.计算结果还表明改造后机组可增容6%,最优工况点向大流量区偏移.所得结果可用于HLD06A-WJ-84水轮机的实际改造并指导电站的运行.     

水轮机尾水管水压力脉动与运行工况的关系

以三峡水电站水轮机工况为模拟条件,进行了混流式水轮机尾水管压力脉动试验研究,分析了在水头变幅较大的工况下混流式水轮机尾水管水压力脉动与转轮出口水流环疸及单位参数之间的关系。研究结果表明,适当选定混流式水轮机额定参数对减轻尾水管水压力脉动是十分有效的。     

HL638-WJ-84型水轮机增容改造及数值预测

在无合适的新型转轮替代老转轮的情况下,可以采用减少叶片数以及切割叶片出水边的方法得到易于实施的改型转轮,从而达到增容改造目的.运用三维建模软件Pro/E进行建模,ICEM进行网格划分(非结构化网格),选用标准k-ω流模型以及SIMPLEC算法,Fluent 14.5进行水轮机全流道定常模拟计算,可以得到比较准确的水轮机外特性预测结果.水轮机全流动数值模拟计算可以为增容改造方案的可行性提供依据.以HL638-WJ-84型水轮机为研究对象,以减少转轮叶片数且切割出水边为改型方案,数值模拟了不同工况下改型前后水轮机的内部流动.外特性结果表明:改造后水轮机的最优效率区向大流量区域偏移,当转轮运行在限制工况时,改型后转轮出力比改造前增加16.35%.据此方案改造转轮,机组实际增容23%.     

灯泡贯流式水轮机轮缘间隙流动的数值模拟

通过对灯泡贯流式水轮机在不同工况、不同轮缘间隙的泄漏流动进行数值模拟,得到了不同协联工况下轮缘间隙泄漏流动和叶片表面的压力及流线的分布规律。分析了不同轮缘间隙值下的泄漏流动对主流和水轮机效率的影响,从而为灯泡贯流式水轮机的水力设计和轮缘间隙的合理确定提供了理论依据。     

微水头灯泡贯流式水轮机支撑及导叶联合设计

为了研究在1m左右的微水头的工况下,不同导流结构对灯泡贯流式水轮机内部流态及能量特性产生的影响,通过数值模拟方法,对无活动导叶的原方案进行优化,结合两种不同的支撑及两种不同宽度导叶下共六种不同方案的水轮机进行内部流场分析及性能研究.结果表明:水轮机增加导叶后,使水流在进入转轮前产生环量,但也增大了转轮前流道的水头损失;宽导叶导流后水流的切向速度及动量矩最大,但在圆周方向水流分布不均匀;窄导叶对水流的影响小于宽导叶;弯曲型支撑则将支撑和窄导叶结合起来,也结合了两者的优点,结构简单,转轮前水头损失较小,转轮进出口动量矩不是最大的,但水流对转轮的作用力矩最大,效率提高了5.8%,达82.7%,叶片表面压力变化梯度较小,空化性能良好.     

轴流转浆式水轮机桨叶的动应力特性

通过对轴流式水轮机全流道内流场进行13个稳定运行工况的非定常流场计算,得到不同工况下转轮桨叶表面非定常水压力载荷,并利用顺序流固耦合方法对桨叶在各种工况下的动应力特性进行计算分析。结果表明:在下游水位下降、机组水头升高时,机组在小功率工况下水力稳定性变差;同时表明机组长期在高水头小功率条件下运行时,由于水压力脉动引起的较大动应力是造成桨叶微裂纹的主要原因。计算结果可为水轮机其他零部件的应力特性及疲劳裂纹分析提供参考。     

基于长短叶片混流式水轮机压力脉动分析

为了探讨长短叶片混流式水轮机的压力脉动规律,采用SST模型,探讨多种工况下水轮机的速度分布、压力变化以及多监测点的压力脉动情况。研究结果表明:转轮出口处流动过程极为复杂,蜗壳与转轮存在动静干涉,且随着流量的增加,蜗壳与转轮的动静干涉效应越明显。转轮区域压力脉动的产生是因为导叶出口水流流动不均匀,造成导叶及转轮间动静干扰。     

水轮机转轮叶片系统动力分析(Ⅱ)——实例分析

考虑到１６结点相对自由度壳元能很好地描述薄壳和厚壳的性质,而且和三维实体单元的联接也相当方便,本文采用该种单元对水轮机叶片进行离散,并通过样条插值获得叶片有限元网格结点的三维坐标。对水轮机转轮叶片系统的动力特性进行了具体的分析计算,得到了各阶固有频率及相应模态。结果表明,水轮机转轮最低若干阶频率的振动是以下环为主的振动,同时指出,对不同阶次的频率,附加质量的影响是不同的。     

三峡模型水轮机转轮前后的流动特性

水轮机转轮前后流动特性的测试对于了解流动型态、改进水轮机的水力设计有重要意义。用五孔球测量三峡水电站模型水轮机转轮前后液动特性的结果,并对在最优工况及偏离工况下的测试结果作了初步分析。测试结果表明,最优工况的轴面速度分布规律介于一元理论及二元理论假设之间,数值偏大,沿转轮进、出口边的环量分布均为自上冠至下环逐渐增大。     

基于LBM的贯流式水轮机甩负荷特性研究

基于格子Boltzmann方法(LBM),采用壁面自适应局部涡黏模型,对原型贯流式水轮机甩额定负荷的瞬态过程进行了大涡模拟,获得了在活动导叶两段关闭方式下水轮机甩负荷过程中转轮转速、水力矩、轴向力等工作参数的变化规律,探讨了贯流式水轮机在甩负荷过程中导叶和转轮前后的水压变化.计算得到甩负荷过程中转轮最大转速上升率为36.7%,满足电站甩负荷调节的要求.较慢的导叶关闭速率可以降低水压力波动的幅度.对甩负荷过程中水轮机各过流部件内的瞬态流场进行了分析,结果表明:在水轮机甩负荷过程中,水流冲角的变化使得叶片表面产生低压区从而引起空化空蚀,在转轮和尾水管内部存在湍流涡及复杂的二次流动,影响系统的运行稳定性.     

叶型逼近求解水泵水轮机双向流动的方法

为了求解水泵水轮机转轮内部的双向流动,提出了基于全三维转轮叶片设计模型的叶型渐近方法.该方法从水轮机方向设计目标叶型,并得到水轮机方向流场.再利用设计程序,从水泵流动方向设计叶型,用单纯形加速法控制速度矩分布变量,使得该叶型逐步逼近目标叶型,并得到水泵方向的流场,即得到同一叶型的双向流场.根据计算出的流场可以预估转轮的双向能量性能与气蚀性能.对一高水头水泵水轮机进行了设计计算,结果表明,该方法是可行的.     

三维湍流流动计算在混流式转轮水力设计中的应用

根据实际工程的需要,对需在某具体水力参数下工作的水轮机转轮通过CFD的手段进行了转轮水力模型的设计与开发.设计过程中,基于RANS方程,采用标准k-ε湍流模型和有限体积法,对转轮内部的流动状态在某具体水力参数(含特征工况点)下,进行了全三维粘性流动的数值模拟;依据各工况下的模拟结果和分析其流态与流场分布情况的基础上,对初始设计出的模型转轮的翼型和叶片几何形状、尺寸做了进一步修正、改进;经性能预估验证,得到了水力性能良好的新的混流式转轮水力模型.文中采用结构和非结构化网格相结合的划分方法,不仅可行,而且还提高了网格质量和计算精度;用叶片正背面压力差表示叶片上压力分布的变化规律,可以更清晰地反映出叶片的作功情况.     

混流式水轮机部分负荷下的叶片动载荷模拟

通过求解三维不稳定Reynolds平均Navier-Stokes方程,并采用RNGk-ε模型实现方程的封闭,对3个不同转轮在部分负荷下进行了包括导叶、转轮、尾水管在内的三维不稳定流动计算。结果表明:由于水轮机转轮的旋转,在部分负荷工况下,由尾水管内涡带引起的转轮内的压力脉动主要频率fr是转频fn与涡带压力脉动频率fd之差;同时转轮内压力脉动还有导叶通过频率和转频及其倍频等成分;在66%左右开度下叶片上压力脉动幅值一般大于80%左右开度下的值;在同一工况下,叶片背面的压力脉动幅值一般大于叶片正面的值。     

水泵水轮机内部压力脉动特性研究

为了研究水泵水轮机内部不同部位处的压力脉动特性,采用计算流体动力学软件对设计工况点下水泵水轮机三维全流道内部流动进行了非定常数值计算,同时监测了蜗壳隔舌附近、顶盖处、转轮与活动导叶之间以及尾水管锥管处的压力脉动。通过分析计算所得的压力脉动结果表明:机组顶盖区域压力脉动相对较为明显,水轮机工况下的脉动频率以2倍叶倍频为主,水泵工况时脉动频率以1倍的叶倍频为主;对于转轮与导叶间的无叶区域,水泵工况和水轮机工况脉动频率均为1倍叶倍频,且该处的监测点的压力脉动频率主要由于转轮与活动导叶之间的动静干涉产生;在转轮内水轮机工况时的压力脉动频率呈现多样性,水泵工况时则都以转频的倍数为主;尾水管直锥段的主频率在最优工况下等于1倍叶倍频,振动幅值较小。