原型混流式水轮机尾水管压力脉动及补气试验分析

本文叙述原型混流式水轮机尾水管内水流压力脉动及采用强迫补气方式的试验方法,并根据试验结果,对尾水管内水流压力脉动幅值与导叶开度(或出力)、补气量的关系进行初步分析,对确定最优补气量进行初步探讨。     

基于空化流动计算的混流式水轮机尾水管的压力脉动

为了保证混流式水轮机运行安全,分析了尾水管内部的空化流场.假设气液混相均质,并考虑不可凝结气相,采用基于组份输运方程,求解了尾水管内气液混相均质流的雷诺平均N-S方程以及气相组分输运方程.结果表明:不同装置空化系数下尾水管压力脉动主频率变化不大,但在极低的装置空化系数下,削波现象导致更低频率成分的出现.在较大的装置空化系数下,空化涡带直径较小,压力脉动幅值随装置空化系数的变化不明显;换当装置空化系数小于某一临界值后,随装置空化系数的降低,压力脉动幅值增加并达到一个最大值.计算结果解释了模型试验现象.     

中心孔结构对混流式水轮机压力脉动的影响

针对混流式水轮机中广泛存在的压力脉动问题,通过3维非稳态流动分析方法模拟了4种中心补气孔结构对模型水轮机内压力脉动的影响。结果表明:中心孔补气可以缓解部分负荷工况下的压力脉动。从该文的模型水轮机分析,补气孔长度为30mm时,尾水管涡带的尺度减小。该补气方案可以较好地减轻水轮机内的压力脉动,并恢复尾水管中的静压。无论是否补气,尾水管中的低频成分都是水轮机压力脉动的主要成分,而且在偏低流量工况下,尾水管内的低频压力脉动将传播至导叶之前的流道。因此,减小尾水管中涡带运动规模是控制水轮机压力脉动的基本方向。     

混流式水轮机尾水管压力脉动和速度分布的试验分析

本文讨论了混流式水轮机尾水管压力脉动和速度分布与水轮机单位转速n′_1单位流量Q′_1的变化关系,对压力脉动相对振幅△与转轮叶片出口圆周分速度V_(2u)之间的关系进行了分析,并对尾水管压力脉动的机理作了初步的探讨.     

长短叶片水轮机尾水涡带动态特性数值分析

在保证CFD模拟长短叶片混流式水轮机可靠性的基础上,通过改变蜗壳进口流量,模拟得到了水轮机历经额定运行、甩负荷、部分负荷稳定运行、增负荷和额定运行五个阶段的尾水涡带演变规律.结果表明:长短叶片水轮机偏负荷工况不会形成常规混流式水轮机的螺旋涡带,尾水管边壁压力脉动幅值较小.采用Q准则和本征正交分解(POD)方法分析尾水涡带结构,当流量改变时,主流在尾水管中心和边壁之间转移,伴随复杂的涡带结构演变.随着负荷减小,单一柱状涡带、多级缠绕螺旋涡带和管壁处多股片状螺旋涡结构所携带能量依次增强,在部分负荷时管壁处螺旋涡结构能量占比达到8%以上.     

基于PRO/E的混流式水轮机叶片的三维造型

针对混流式水轮机叶片形状的复杂性给其三维实体造型带来的困难,以混流式转轮叶片二维木模图为基础,基于PRO/E软件的三维建模功能,采用从点到线、线到面、面再到体的方法,对混流式水轮机叶片进行三维造型.为了提高造型的准确性,用切割的方法对叶片进水边、上冠及下环进行修型,从而可真实准确地得到木模图所表示的混流式水轮机叶片的三维实体造型.     

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.     

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。     

混流式水轮机管道水锤压力的合理关闭规律

本文研究了混流式水轮机管道水锤压力的合理关闭规律问题，给出了较为 严格的、简便的计算公式；并附有实例。     

异常低水头下水泵水轮机压力脉动特性分析

为了研究水泵水轮机在异常低水头下内部流动的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于大涡模拟方法,对模型机组进行全流道非定常数值计算.结合试验数据,分析异常低水头下流道内不同位置处压力脉动特征和流态特征,讨论流量变化对机组压力脉动特性的影响.结果表明:异常低水头下,压力脉动主要由"导叶-转轮-尾水管"之间的两级动静干涉以及肘管段结构弯曲引起水流撞击等因素共同引起;流量变化对导叶后转轮前压力脉动的频率和幅值影响不大,仅在小流量区有所区别;尾水管内压力脉动的低频值和幅值受流量变化的影响较大,而高频值则在各种流量状况下均未出现.与正常运行工况相比,水泵水轮机在异常低水头工况下的压力脉动特性明显增强,对机组的稳定性和安全性造成了十分不利的影响.     

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。     

混流式水轮机转轮内部流场数值分析

从Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发,采用层流模型描述水流动状态,并在欧拉坐标系中用速度－压力修正法对模型进行求解,考虑到转轮内流道几何形状比较复杂,故采用有限元法进行数值离散,并将该解法用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编制计算程序,对三峡工程混 式水轮机转轮内部的流场进行数值计算,分析了转轮内的速度和压力分布。     

混流式水泵水轮机密封间隙流动分析

基于N-S方程和RNGk-ε湍流模型,利用CFD软件CFX对含减压管和转轮上冠密封间隙的某水电站原型水泵水轮机进行三维定常全流道数值模拟.分别对上冠密封间隙值为1.5、3.0、4.5 mm时,出力为60%、70%、80%、90%、100%额定出力工况下的原型水轮机进行全流道数值计算,探讨不同转轮上冠密封间隙值对混流式水泵水轮机转轮上冠密封间隙腔、顶盖与上冠间的压力腔流场的影响;分析上冠密封间隙值的大小对机组稳定性的影响.结果表明:在出力相同的工况下,顶盖下压力腔中平均压力随上冠密封间隙值增大而增大;在不同出力工况下,压力腔中平均压力随间隙值变化的程度不同,随着出力的增加变化的程度会增大,而轴向力也会随着密封间隙的增大发生变化.     

混流式水轮机进水管蝶阀活门裂纹分析

为探讨某电站水轮机进水管蝶阀活门筋板开裂的原因,利用ANSYS有限元软件,分别对蝶阀活门的强度及振动特性进行计算和分析。强度分析结果显示40 mm筋板位置的应力水平很低,筋板的开裂并非是应力过高造成的;蝶阀活门、筋板及盖板的模态分析表明,蝶阀活门的40 mm筋板及90 mm盖板出现了卡门涡。结合有限元分析结果,对电站蝶阀活门进行现场结构模态测试,测试结果与计算结果吻合。分析结果表明,该电站蝶阀活门出现的裂纹是由卡门涡引起的。     

混流式水轮机转轮应力场的有限元分析

混流式水轮机是大型水电站的重要设备之一,在运转中,水轮机转轮的叶片上常常有疲劳裂纹发生,本文借助于有限元法给出了叶片中的应力场,并提出了产生疲劳裂纹的原因,同时还讨论了叶片的工作载荷,为研究混流式水轮机转轮叶片的疲劳强度提供了有用的资料。     

基于流固耦合理论的混流式叶片动力学分析

为了避免机组发生共振,以某一混流式转轮叶片为对象,提出叶片在空气和在工作流道中的动态特性方程,采用有限元方法建立叶片在空气中和工作流道中的频率计算模型和方法,得出了流体对叶片固有频率的影响系数.结果表明: 叶片在空气中和在水介质中振型基本相似,但随叶片结构及振动形式的改变,叶片固有频率发生变化.该方法对于流体激振力的研究和叶片的疲劳设计校核具有一定的参考意义.     

不同开度下水泵水轮机飞逸工况压力脉动特性分析

为研究不同开度下混流式水泵水轮机流道内的压力脉动,采用Realizable k-ε湍流模型,进行了某模型水泵水轮机飞逸工况7个不同开度下的全流道三维非定常数值计算,并与实验结果进行对比,分析了其各区域压力脉动幅值和频率.结果表明:随着开度的增大,转速上升,水泵水轮机流道内的压力脉动幅值有所升高,增大到一定程度后会引起蜗壳内流动特性的改变;中间开度21 mm时活动导叶转轮区域及尾水管内压力脉动主频较其余两开度高而幅值有所降低;尾水管中压力脉动主频具有传递性且幅值随流动方向增大.     

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。