基于内流场的可逆式水轮机转轮设计

针对可逆式水轮机效率普遍较低这一问题,借鉴低比转速混流式水轮机的叶片设计理论,对一给定参数的可逆式水轮机进行水力设计、Pro/E三维造型.计算采用雷诺时均方程和RNG κ-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法.数值计算结果表明,可逆机水轮机工况的最优效率达到91％,水泵工况的最优效率达到82％,反复修正模型还有进一步提升的空间.     

应用三维空间导叶的混流式水轮机流动

为减小混流式水轮机转轮内的叶道涡,设计了两种三维空间导叶,推导了流量调节方程,采用了全三维全流道的湍流计算方法,完成了从蜗壳进口到尾水管出口,包含所有流道在内的数值计算;并进行了模型对比试验。结果显示:应用三维空间导叶对水轮机能量性能没有太大的影响,但是增大了活动导叶上部的水流出口角,从而减小了转轮叶片进口处的冲击,尤其是在高水头、小开度情况下,上冠处的冲击和脱流比二维常规导叶有明显改善,降低了叶道涡发生的可能性,提高了水轮机的运行稳定性。     

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.     

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.     

水轮机固定导叶与活动导叶的相互影响

本文通过对在专门研制的环盘式双列叶栅实验装置上所进行的固定导叶与活动导叶实验的分析,认为水轮机的固定导叶与活动导叶圆周方向的相互位置对导叶区域水流的特性和水力损失影响较大,指出了对称型和正曲率型活动导叶与固定导叶的最佳相对安放位置和流场的不同特性;建立了水轮机设计时确定固定导叶与活动导叶相对安放位置的经验公式;并分析了高水头低比转速水轮机导叶汽蚀破坏的主要水力原因。     

导叶头部圆半径对水泵水轮机水力特性的影响

针对水泵水轮机"S"特性,以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机为研究对象,改进活动导叶翼型几何结构,基于Realizable k-ε湍流模型,通过数值计算分析改进活动导叶翼型几何结构对水泵水轮机"S"特性的改善及水力性能的影响.结果表明:减小导叶头部圆半径r至r-0.313 mm,对机组"S"特性存在较佳的改善效果,主...     

水轮机三维湍流模式研究

概述了水轮机内部流动计算近几十年的发展历史与研究现状,介绍了水轮机内部三维流动计算的各种模型,总结了湍流的数值计算方法,重点讨论了湍流模型理论,并指出水轮机内部湍流计算,正朝着全三维、小尺度、瞬时化处理发展。     

桨叶调节对轴流式水轮机甩负荷特性影响研究

提出了轴流转桨式水轮机模型甩负荷过渡过程三维非定常数值模拟方法,采用动网格及网格重构方法实现了甩负荷过程中导叶和桨叶的动态关闭过程,获得了相关工作参数变化规律和内部流场变化情况.结果表明:计算得到的转速和测点静压变化规律与模型试验结果较一致,最大转速误差约为1.8%,验证了三维数值模拟方法的可靠性;当甩相同负荷,导叶采用相同关闭规律时,导叶关闭规律对参数变化起着决定性作用;最大向上轴向力出现在导叶关闭结束时刻,合理设置导叶关闭分段点位置将有效改善过渡过程品质;桨叶小角度关闭对抑制转速上升和压力波动作用不明显,反而会加剧轴向力波动和最大向上轴向力值,从降低最大向上轴向力防抬机角度,桨叶保持不动比桨叶小角度关闭更有利.本研究实现了桨叶与导叶双重调节的动态仿真.     

抽水蓄能电站泵工况断电过渡过程数值试验

建立包括引水系统、调压井、水泵水轮机组与尾水系统等部件的抽水蓄能电站几何模型,采用基于VOF两相流模型的三维湍流计算方法对其泵工况断电过渡过程进行了数值试验研究,获得并分析了若干参数随时间的变化规律和不同时刻流场的演变过程,与电站原型试验资料进行了对比.结果表明:机组转速、蜗壳和尾水管进口静压极值与试验结果基本一致,三维湍流过渡过程研究方法具有较高精度.电站外特性变化剧烈,依次经历水泵、制动和水轮机瞬态工况.各部件流场的演变与外特性的变化密切相关,相互影响.制动工况流量变化存在"拐点",相应时刻反向流量最大,叶片压力不均匀,尾水管流态较差,有明显的水击现象.     

含沙水流水轮机两列导叶相对位置对活动导叶磨损的影响

为减轻含沙水流对水轮机活动导叶的磨蚀破坏,以比转速为150的混流式水轮机水力模型A227-46为研究对象,在分析导叶磨蚀机理的基础上,对水轮机两列导叶相对位置对活动导叶磨蚀的影响.采用CFD商用软件在含沙水流条件下分别对不同活动导叶与固定导叶相对位置的流场分布进行数值模拟计算,获得沿翼型弦长方向在导叶内外侧各选取的6个点上的压力,并换算为压力系数绘制出各布置方案的压力系数沿翼型弦长的变化曲线,得到压力分布变化规律.通过对比找出含沙水流条件下水轮机活动导叶与固定导叶周向偏置较好的相对安放位置角φsg为8°;同时,若减小两者的径向相对位置,即合理地增大活动导叶分度圆的直径,可使活动导叶区的流速下降,从而减轻泥沙磨损与空蚀破坏程度;同时,也改善了转轮的入流条件,有利于水轮机性能指标的提高.     

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析

为了更加高效地利用超低水头水力资源,设计了一种采用虹吸式出水流道的轴流式水轮机。针对这一形式的水轮机,在设计水头和额定转速下采用CFD进行三维数值模拟,计算各过流部件的水力损失,研究水轮机的水力性能。通过改变转轮叶片出水边翼形,对比分析转轮出口水流流态与虹吸式出水流道水头损失的关系,研究不同叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响。结果表明,在水头、转速和导叶开度相同的情况下,各修改方案中叶片3使得出水流道水头损失较小,其对应的平均涡角为13.26°,出水流道水头损失为0.135 m,水轮机的效率也较高(为89.33%)。此外,选取效率较高的叶片,改变叶片数量,分析其对虹吸式水轮机水力性能的影响。     

带分流叶片向心涡轮内部流场分析

为了详细研究某型向心涡轮的流动特性和内部流场结构,采用准三维与全三维数值模拟方法对其内部流场进行研究,分别得到多个转速下的特性曲线与主要参数分布,对两种数值模拟方法得到的特性线进行对比,并对设计点的全三维数值模拟得到的流场进行分析。计算结果表明,准三维与全三维数值模拟计算得到的特性线基本相同,计算特性线时可以采用准三维方法,减少计算时间。通过对全三维数值模拟的流场特征的分析,初步了解了向心涡轮内部的流动规律,在设计点叶片前缘和尾缘附近有不同程度的气流损失存在,为进一步改进该向心涡轮设计有一定的参考价值。     

微型燃气轮机向心透平导向器的流场分析与设计研究

对微型燃气轮机向心透平导向器叶片型线的设计原则进行了探讨,设计出了5种尾缘厚度的导向器叶片,并分别对其通道流场进行了全三维黏性数值模拟.研究结果表明:以该型线设计原则设计出的高亚音速向心透平导向器叶片具有较高的流动效率,并且可以有效减小向心透平的径向尺寸;尾缘相对厚度对导向器叶片流动特性及效率影响较大,尾缘相对厚度每增加1%.叶轮进口气流角将减小约0.03°,速度系数将降低约0.1%.考虑到目前高温合金精密铸造的工艺水平,导向器叶片尾缘厚度取0.6~1.0 mm、尾缘相对厚度小于15%可以获得较高的气动性能.     

连续管小尺寸涡轮钻具三维叶栅设计研究

选用五次多项式法构造出涡轮叶片的多个截面线型,确定截面前后缘圆弧圆心的坐标。利用B样条曲线连接各截面前后缘圆弧圆心的坐标,从而过渡各截面线型,优化设计出一种连续管作业用的小尺寸、高效率三维叶栅涡轮钻具。通过流场数值模拟、水力循环试验两方面分析,验证了采用三维叶栅造型法设计小尺寸涡轮钻具的可行性。分析结果表明,在一定循环排量下,三维叶栅涡轮节理论分析的最高效率为62.88%,水力循环试验测试的最高效率为54.25%,三维叶栅涡轮节水力性能明显提高,提高了工作效率,降低了钻井成本。     

高低齿迷宫气封在汽轮机级中应用的数值研究

为了研究迷宫汽封应用于实际结构的汽轮机中的流动特性及密封机理,采用商业软件CFX数值模拟了带有平衡孔和迷宫密封结构的某汽轮机高压一级半汽轮机内部流动。以第八级静叶隔板汽封为例,详细分析了所采用的高低齿迷宫气封的流动特性及密封机理。结果表明:在静叶隔板中应用转子带台阶的高低齿迷宫气封,与直通型迷宫气封相比,使泄漏气流发生多次折转,产生数量众多的大涡拟序结构与杂乱无章的小涡旋,强化了泄漏气流的动能耗散,从而明显增加了静叶隔板的密封性能。优化匹配迷宫气封的转子台阶、长短齿与大小间隙,能够进一步提高迷宫气封的气动性能。     

脉冲进气条件下弹性约束导叶可变几何涡轮性能研究

文中基于可调涡轮弹性约束导叶的概念,采用流固耦合方法研究了在脉冲进气条件下,弹性约束导叶涡轮的非稳态特性以及脉冲幅值和频率对其性能的影响,通过与传统可调涡轮对比,分析了弹性约束导叶可调涡轮性能发生变化的原因.结果表明,脉冲进气幅值越小,频率越低,弹性约束导叶可调涡轮相对传统可调涡轮流量提升率越大,输出功率提升率越大,效率下降率越低.通过对转静子进口气流角以及导叶出口压力损失分布的分析,论证了弹性约束导叶涡轮性能对脉冲幅值和频率发生变化的原因.      

车用轴向可调喷嘴增压器喷嘴环流场分析

对车用轴向可调喷嘴增压器喷嘴环内流特性进行研究,建立涡轮仿真模型.运用NUMECA软件对该模型进行变工况数值模拟,结合变工况下涡轮测试数据进行对比,证明仿真模型的有效性.针对已验证有效性的仿真模型对喷嘴环压力场、速度场分布进行分析,了解喷嘴环内部流动情况.结果表明:在增压器处于高、低速工况时喷嘴环的前缘处出现气流滞止,形成局部低压区;增压器处于低速工况时,喷嘴环尾缘附近出现小范围尾迹区;增压器处于高速工况时,喷嘴环斜切区尾缘处出现大范围尾迹区.分析结果可为该型增压器喷嘴环叶片叶型提供优化和设计建议.     

水泵水轮机转轮全三维逆向设计方法

为研究可逆机转轮的设计方法,提出了按水泵给定流道参数和转数,从水轮机方向计算叶型的全三维逆向设计方法。对高水头水泵水轮机转轮进行了全三维设计,并对所设计的转轮用三维湍流数值模型进行了性能预估。结果表明全三维逆向设计方法是可行的,设计方法有较好的可控性。由于在设计中综合考虑了水泵和水轮机的双向流动特性,设计转轮有较好的效率。     

基于CFD的尾水冷却器布置方案优化

为解决水电站二次循环技术供水冷却器传统布置方案存在的依赖工程经验、检修困难和降低水轮机效率等问题,通过对尾水渠三维流动定常数值模拟,提出了一种基于计算流体力学(CFD)的尾水冷却器布置优化方法。通过对模拟结果中尾水管上方平台拟安装冷却器区域内流场的流线、流速、湍动能等多个物理量的空间分布特性进行分析,选定来流速度较大的位置安装冷却器,建立了考虑实际冷却器几何模型的复杂尾水渠三维流动域模型进行数值模拟校核,以验证该布置方案的合理性。模拟及校核结果表明,此方案不仅满足冷却器的散热要求,同时便于检修和能避免对机组运行产生影响。