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。     

水轮机内负压对鲢鱼幼鱼损伤阈值模拟试验

大量研究表明,鱼类在通过水轮机的过程中可能会受到水轮机流道水动力特性不同程度的伤害,其中负压及压力梯度是造成过机鱼体损伤的主要因素之一.为明确负压对鲢鱼幼鱼损伤的阈值,提高鲢鱼幼鱼通过水轮机流道下行的成功概率,本文设计由真空泵、真空锅、摄像机和电脑等组成试验装置系统模拟不同的负压水环境对鲢鱼幼鱼的影响,得出鲢鱼幼鱼对负压水环境的适应性和负压损伤阈值.试验成果可为提高水轮机过鱼概率的优化运行提供参考.     

含减压管的混流式水轮机转轮密封数值模拟

为了分析混流式水轮机中的减压管对水力发电机组稳定性的影响,通过对含减压管和转轮上冠密封间隙的水轮机进行三维全流道数值计算,分析了减压管和转轮上冠密封的建模过程,并且依据计算模型和相应的边界及工况条件,分析了减压管的存在对转轮上冠密封间隙、顶盖和转轮上冠之间压力腔的流场的影响作用.模拟计算结果表明,顶盖和转轮上冠之间的压力腔中压力自外缘至旋转中心呈抛物线趋势变化;在机组设计和运行时要考虑减压管的设置以预防弓状回旋振动的发生;减压管中水流流入尾水管后不对尾水管流场产生影响.     

尾水管涡带引起的不稳定流动计算与分析

尾水管内涡带引起的不稳定流关系到水电站机组的安全。针对一个混流式水轮机的典型部分负荷工况,采用PISO(pressure-implicitwithsplittingofoperators)方法,计算了尾水管内部由于涡带引起的不稳定流场,预测了涡带脉动频率以及尾水管各断面上压力脉动。结果表明,涡带压力脉动频率约为转频的1/3,与实际观察到的脉动频率相符。在此基础上,分析了尾水管直锥段、弯肘段和扩散段内的压力脉动特征以及尾水管内压力脉动对转轮内压力的影响。     

水泵水轮机制动工况内流特性分析

为研究水泵水轮机在制动工况运行时内部流动特性,在确定的等开度线上选取具有代表性的制动工况点,对其进行了全流道数值计算.选用SST k-ω湍流模型,采用SIMPLEC耦合算法,对选定工况点的机组整体流动域内的三维复杂流态进行了分析.结果表明:机组进入制动工况后流态总体上呈现出不稳定状态,多伴有大尺度漩涡的产生.其中蜗壳及固定导叶内流动较为平稳,自活动导叶进口处出现小尺度漩涡,在转轮中流态不稳定达到极致,叶道间出现大尺度漩涡;转轮进出口流动虽以水轮机工况流动方向为主,但受转轮内大尺度旋涡及离心力影响,回流严重流动紊乱,流态转入反水泵工况的趋势明显;尾水管内流动呈现显著的螺旋态,从进口开始流动回旋紧贴壁面,直锥段出现大幅回流反向进入转轮区域.此工况机组整体流域的复杂流动势必加剧机组的振动,对其稳定运行造成极大的影响.     

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.     

基于多路径传递的水电站厂房流激振动分析

为研究水电站厂房流激振动传导机制,对振动传递路径进行了分析,采用重整化群(RNG)k-ε模型对混流式水轮机蜗壳、导叶、转轮及尾水管全流道进行了三维非定常湍流计算.基于湍流计算结果对转轮部件上的脉动压力进行了积分计算,给出了解析计算和数值模拟相结合的轴向水推力脉动特性计算方法,并沿着蜗壳/尾水管→厂房结构、转轮→轴系→机架基础→厂房结构这两条振动传递路径对厂房振动进行了计算分析.结果表明:整个流道内压力脉动程度较大的区域主要集中在尾水管直锥段以及弯肘段,频率主要为0.83和1.02 Hz,即转频的1/5和1/4,受尾水管低频涡带向上游传播影响,蜗壳区也出现了低频脉动压力;轴向水推力是机组垂直动荷载的重要部分,具有明显的脉动特性,转轮上冠与顶盖、转轮下环与基础环之间的空腔压力是形成轴向水推力的主要组成部分;蜗壳/尾水管→厂房结构这条振动传递路径是最直接也是作用最明显的,是厂房振动的主要诱因.     

混流式水轮机内部流动的整体解析及气蚀预测

采用计算流体力学方法,将整个水轮机划分为蜗壳、固定导叶叶栅、活动导叶叶栅、转轮和尾水管等几个域,对混流式水轮机进行整体解析,并根据各个域的残差履历,以转轮残差的充分收敛作为迭代计算是否收敛的判据.最后以某水电厂的混流式水轮机作为研究对象,得到了混流式水轮机的静态压力场,并利用压力场预测了转轮叶片出口负压面气蚀的发生时刻及发生部位,所得结果与实际转轮出口负压面气蚀结果一致,表明了文中方法的有效性.     

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.     

基于VOF模型的抽水蓄能电站全过流系统水轮机工况数值模拟

为了更加全面地分析抽水蓄能电站水轮机工况的流动特性,建立包括引水隧洞、调压井、高压管道、水泵水轮机以及尾水隧洞的全过流系统几何模型,采用两相流VOF模型对不同导叶开度的水轮机工况进行三维湍流数值模拟,计算各过流部件的水力损失,并详细分析了机组段流场。结果表明:抽水蓄能电站的水力损失主要发生在机组段,而输水系统的水力损失相对较小,约占总水力损失的18.6％;导叶开度不同从而引起叶片压力面与吸力面的压力差不同,这是导致转轮水力损失不同的主要原因;尾水管内的流态与导叶开度有关,开度越小,在尾水管进口处越容易形成回流,水力损失越大。      

考虑流固耦合的轴流式叶片强度分析

以轴流式水轮机全流道三维湍流数值计算结果为基础,分析水轮机的压力脉动;采用弹性力学非稳态有限元法分析轴流式叶片的强度;利用弱耦合技术,对固体域和流体域进行顺序迭代,并进行了水轮机的流固耦合分析.结果表明,在水压力作用下,叶片变形的最大位移发生在叶片出水边靠近叶片外缘处,最大应力出现在叶片上端面和法兰相接处,叶片变形对压力脉动的幅值影响明显.     

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。     

基于全流道非定常模拟的混流式水轮机尾水管入口处水力特性分析

采用RNGk-ε湍流模型对某长短叶片式混流式水轮机在小开度工况下的全流道进行了非定常模拟,得到了尾水管进口处的速度、涡强分布情况,以及尾水管进口处的压力脉动曲线。     

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。     

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。     

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。     

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%.     

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.     

空化条件下水泵水轮机的脉动特性分析

为研究空化条件下水泵水轮机的压力脉动特性,采用RNGk-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对某抽水蓄能电站模型机进行了全流道非定常空化流动数值计算.结合试验数据,针对机组处于不同空化阶段时的压力脉动特征进行了分析.结果表明:随着空化系数的改变,各个位置的频率成分几乎保持不变,幅值大小则受到了较为显著的影响.蜗壳进口的压力脉动主频以低频成分为主,幅值相差不大.导叶后转轮前无叶区的压力脉动主频为转轮转频,同时存在着叶频及倍频,幅值随空化系数的降低而逐渐增大.尾水管内的压力脉动主频皆为涡带的转动频率,随着空化系数的降低,尾水管进口和锥管上游的脉动幅值呈先迅速上升到最大值而后逐渐下降的趋势;当空化系数为极低时,幅值往往都会有所下降,但此时尾水管区接近于断流状态,对机组的安全稳定性是十分不利的.     

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.