混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

基于CFD混流式水轮机转轮空化及涡旋流动数值模拟

采用RNK湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,基于欧拉-欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,选用Schnerr and Sauer空化模型,对混流式水轮机转轮进行三维空化湍流数值模拟。利用ANSYS CFX,通过转轮的汽含率云图、流线图、turbo面分析以及转轮进出口压力、速度曲线分析,获得了该水轮机在大开度、小开度下的转轮、叶片以及泄水锥的空泡、涡旋黏度等主要流动特征。计算结果表明:大开度和小开度对转轮的空化影响不同,存在一定规律,即大开度下空化严重而范围比较集中;小开度下空化较轻但发生范围较广;大开度下涡旋黏度偏大,则空泡不宜脱流,即不容易在叶片上产生漩涡;小开度则涡旋黏度小,即叶片上漩涡明显。     

用两相流模型模拟混流式水轮机内空化流动

本文采用两相流中两流体模型模拟混流式水轮机转轮内三维湍流空化流场, 基于两相流中两流体模型的理论和方程, 推导了水轮机转轮中空化两相流的两流体基本方程, 并利用k-ε-kp两相湍流模型计算水轮机转轮中三维空化两相湍流. 计算结果包括了液相和空泡相的主要流动特征, 模拟结果可初步预测流体机械空化性能, 缩短模型试验周期.     

长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。     

用正交法研究短叶片对水轮机空化性能的影响

为了研究短叶片各设计参数对混流式水轮机空化性能的影响,选取短叶片数、长短叶片包角比值以及短叶片周向偏置角3因素,制定了L16(43)正交试验方案,对每个试验方案进行数值模拟,得出影响空化性能的各因素主次顺序;水轮机性能最优情况下,短叶片的最佳参数为:叶片数为11,长短叶片包角比值为0.65,周向偏置角为8°。对最佳配置方案在设计工况点的数值模拟结果分析表明:其空化性能优于该型号常规转轮正常运行时的空化性能。     

水轮机长短叶片转轮三维数值模拟

基于Standard k-ε双方程湍流模型和三维时均N-S方程,进行了混流式水轮机HLA351长短叶片转轮流场的三维湍流数值模拟研究,获得了流道的流速和压强分布.计算结果表明:和常规转轮相比,长短叶片结合的转轮流态较好,流速和压强分布合理,水轮机的全流道CFD分析能够较为准确地预测出水轮机过流部件内的性能参数及内部流场结构.     

超低比转速混流式水轮机不同叶片转轮分析

根据设计参数设计了冷却塔低比转速混流式水轮机。依照水力设计尺寸绘制图纸,利用三维画图软件Pro/EN-GINEER建立三维模型。基于Realizable湍流模型和时均N-S方程,对设计工况下混流式水轮机拥有不同转轮形式但蜗壳、导水机构和尾水管均不更换情况进行了数值模拟。获得了转轮内速度场、压力场的分布情况,并通过计算求得效率,对比分析了水轮机三种转轮全流道的流场分布,发现短叶片转轮在叶片背面靠近出口位置有小部分回流现象,靠近下环地方低压区域要比其他两种转轮的大,而当这个区域的压强减小到一定值时,容易发生空化空蚀。得出在合理的范围内适当增加叶片长度有利于能量的利用,并且使水轮机转轮流速、压力分布更合理,水力性能更好。     

混流式水轮机空化流动模拟中的空化模型对比研究

以某水电厂混流式机组为例,在同样的工况下,采用Schnerr-Sauer空化模型和Z-G-B空化模型对其进行空化流动模拟,并与现场真机试验情况进行对比,从而比较各模型的计算效果。结果表明,水轮机叶片背面进水边、出水边附近的大部分区域、水轮机叶片下半段与下环交界处的空化程度较为严重。此外,Schnerr-Sauer空化模型仅适用于空泡数量比较少的情形,且仿真效果不甚理想;而Z-G-B模型的适用范围较广,且效果较好,因此可以在混流式水轮机空化流动模拟中更多地采用。     

基于CFD的长短叶片型水泵水轮机转轮优化设计

为提高水泵水轮机综合效率,提出一种长短叶片型转轮以改善机组运行在发电与抽水两工况下内流特性。以可逆式水泵水轮机作为研究对象,将长短叶片数目与骨线出口边直径比例作为优化目标切入点,借用软件SolidWorks建立不同的水泵水轮机三维模型,并通过CFD数值模拟手段验证优化思路。ICEM软件用于划分各过流域网格,分离涡湍流模型(DES)用于求解内流场,重点研究水轮机工况与水泵工况下可逆机组内流场特性并量化运行参数。研究结果表明:长短叶片转轮相对全长叶片转轮在抗空化性能方面表现出较好的优良性,具体体现在叶片宽口边有回压。6长6短、7长7短、8长8短叶片转轮在水轮机工况下效率分别提高了3.463%、3.198%和1.119%;水泵工况下6长6短和8长8短叶片转轮效率均降低约4个百分点,而7长7短叶片转轮效率提升约4个百分点。此外,长叶片骨线出口边直径与短叶片骨线出口边直径最优比例为2/3。研究成果可为新一代水力机械的设计提供一定的参考。     

基于全流道的混流式水轮机内部流动的三维数值模拟

采用三维N-S方程和RNG湍流模型,利用FLUENT6.3软件,并将混流式水轮机全流道作为一整体,对混流式水轮机内部流动进行了三维定常湍流计算,得到了水轮机各过流部件内的流动特性.该数值计算方法和结果对水轮机的水力优化设计具有重要意义.     

混流式水轮机卡门涡致振机理探讨与分析

水轮机出现卡门涡后易引起振动等问题。许多安装混流式水轮机的水电站发生卡门涡频率的强烈振动，严重时甚至造成转轮叶片裂纹破坏，学界多认为这是由卡门涡共振引起。本研究通过比较卡门涡频率和固有频率的巨大差异、大朝山电站转轮叶片减薄修型后强振工况向大负荷转移等事实，提出新观点：大多数卡门涡强振及其破坏并非由共振引起。本研究进行了模型水轮机卡门涡观测试验，比较了流量、空化系数对可见卡门涡的影响，发现可见卡门涡多发生于大流量工况或低空化系数导致的涡心压力较低时，指出卡门涡由其涡心空化造成。通过电站消除卡门涡危害的措施等进一步说明：卡门涡共振存在于小流量工况，但共振能量低，没有显著破坏性;大流量工况的卡门涡强振并非共振，而源于卡门涡空化空腔溃灭产生的巨大冲击力。     

石板水电站水轮机长短叶片转轮裂纹分析

石板水电站装有3台35 MW采用长短叶片转轮的高水头混流式水轮机,机组自1997年投入运行以来,水轮机在空化、磨蚀、效率、运行稳定性方面表现出很好的性能,但转轮叶片出现了裂纹。文章从设计、制造质量和运行角度,分析了引起裂纹产生的主要原因,并提出防止裂纹的建议。     

ANALYSIS AND ESTIMATION OF HYDRAULIC STABILITY OF FRANCIS HYDRO TURBINE

With the development of large-capacity hydro turbines, the hydraulic instability of hydro turbines has become one of the most important problems that affect the stable operation of the hydro-electric units. The hydraulic vibration and unstable operation of Francis hydro turbines are primarily caused by the unsteady pressure pulsations inside draft tubes. The forced rotating vortex core at the runner exit and the channel vortices inside Francis turbine runners are origins of the unsteady pressure pulsations when operating at partial load. This paper briefly analyzes the hydraulic instability of operation caused by the vortex core and channel vortices at partial load, then, presents a way to estimate the hydraulic stability by calculation of the flow behavior at the runner exit. The validity of estimation is examined by comparison with experimental data. This will be helpful to evaluate the alternative design and predict the hydraulic stability for both the prototype and model hydro turbines.     

水轮机模型验收试验的研究与探讨

介绍百色水利枢纽混流式水轮机模型验收试验中效率、出力、空化、压力脉动、飞逸、轴向水推力、导叶水力矩和Winter -Kennedy蜗壳压差等试验的基本情况 ,并就试验中遇到的卡门涡、叶道涡、特殊压力脉动带等关键技术问题进行了详细的分析讨论 ,同时着重介绍了电站装置空化系数 3种不同定义方式对压力脉动测试的影响 ,探讨了空化系数在原模型相似方面的影响     

基于双通道PLC的水轮机调速器设计

基于容错技术原理,设计了一款双通道PLC水轮机微机调速系统,介绍了PLC调速器硬件设计方法和软件功能实现,并通过甩负荷仿真实验,验证了该系统的可行性。该设计有效地提高了水轮机调速器运行可靠度,为水轮机调速器设计提供了新的思路。     

基于MATLAB-UG的混流式水轮机叶片三维建模

针对冷却塔专用混流式水轮机流道狭长、叶片空间几何形状复杂,三维建模难度较大的问题,结合某冷却塔专用超低比转速水轮机设计工程案例,以转轮二元设计理论(ωu=0)为基础,利用MATLAB软件计算出转轮叶片的骨线,并对翼型骨线进行展开加厚,最后借助于UG软件的三维建模功能,生成光滑的三维叶片模型。结果表明,采用该方法进行转轮叶片的三维建模,所生成的叶片光顺、无褶皱,能够精确地反映出叶片的空间流性,提高了转轮叶片的生成效率和精度,可为后续开展水轮机的CFD分析和性能优化提供有力的支撑。     

混流式水轮机叶片流激振动机理的数学描述

诱发混流式水轮机水力振动的机理十分复杂，理论上按振因可将其分为湍流激振、涡激振动、流弹性失稳振动、两相流激振以及平均轴向流诱发振动等因素。这些激振因素可能是单项激励诱发振动，也可能是多因素并存而发振。本文在正交流线坐标系中，使用一般壳体理论及任意拉各朗日一欧拉描述(ALE)，建立了描述混流式水轮机叶片流激振动及其稳定性的数学模型，为从理论上深入分析叶片流激振动的机理及振动特性提供一个分析平台。     

三峡电站混流式水轮机水力稳定性研究

三峡电站水轮机是目前世界上运行水头变幅最大的巨型混流式水轮机之一 ,其运行稳定性是设计、研究、制造和使用部门关注的首要课题。在左岸电站机组招标文件和合同执行过程中 ,明确提出水力稳定性是首要考虑的问题 ,并具体规定了模型和真机的稳定性指标。在水轮机模型验收试验中 ,发现一些现象与众所周知的部分负荷的压力脉动不同 ,表现为在运行水头范围内存在压力脉动峰值带 ,频率较高 ,且从蜗壳进口至尾水管的几个部位均同时出现较大的压力脉动幅值。根据模型试验的结果 ,分析了空蚀系数和补气对压力脉动的影响 ,提出了改善三峡电站水轮机水力稳定性的几点措施