轴流式水轮机转轮内三维紊流场预测

转轮是水轮机中影响机组特性的一个重要部件．研究水轮机转轮内三维素流场的流动特性对于提高水轮机组的特性及效率具有重要的意义．本文基于N-S方程和标准的κ-ε紊流模型，采用SIMPLEC算法，数值模拟了轴流式水轮机转轮内的三维紊流场，同时讨论了其收效性和准确性．轴流式水轮机转轮内的三维紊流场数值模拟结果有助于提高轴流式水轮机的水力设计、性能分析和优化设计的水平．     

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.     

水泵水轮机转轮内部三维紊流流场计算与性能分析

水泵水轮机转轮可以在正反两个方向上旋转，用一个转轮分别实现水泵和水轮机工况的运行。在设计阶段提前预知转轮在两种工况下的流场以及能量特性对于提高水泵水轮机的设计水平和运行质量具有重要的意义。本基于三维Navier-Stokes方程和标准k-ε模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法分析了水泵水轮机转轮中的三维紊流流场。对比了转轮在水轮机和水泵两种工况下的流场，同时讨论了转轮的能量特性。     

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。     

大型水力机组中空化现象的比尺效应

大型水力机组中的空化比尺效应关系到真机的空化性能和水电站装机高程的确定．影响水力机组空化比尺效应的主要因素有：机组运行水头、转轮直径、液体中的空气含量以及流动介质本身的性质等等．本文在前人研究的基础上推导出真机与模型机之间的空化相似率，提出了水力机械模型试验台上空化试验应遵循的相似准则．以岩滩电站为例，根据其模型转轮的空化试验和流场理论分析结果推算了岩滩电站真机的空化特性．建议在确定大型水力机组，尤其是三峡机组的吸出高度时，较多的考虑初生空化系数的影响，取用较接近于真机实际的初生空化系数值，从水电站的设计和机组安装上保证转轮内良好的流态，避免空化引起的破坏．     

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。     

QBT水电站水轮机模型验收试验分析

结合对QBT水电站水轮机模型验收试验的主要内容及试验结论的介绍,通过计算机数值模拟分析(包括全流道及相关过流部件的CFD分析研究),优化了水轮机的水力特性(包括能量特性、空化特性及水力稳定性等),并根据计算机模拟优化结果设计制造模型装置及试验模型转轮。经过模型试验,最终选定各项性能指标优良且能满足合同文件要求的A1624转轮作为电站模型转轮,并对选定的转轮进行了全面完整的模型试验。图2幅,表6个。     

混流式水轮机内部空化流动数值模拟

为探究不同比例的长短叶片对混流式水轮机内部流场空化特性的影响,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,采用RNG k~ε湍流模型以及三维时均N-S方程,对各混流式水轮机进行全流道三维定常空化湍流计算,获得了3种不同比例长短叶片对应的混流式水轮机在各空化系数下空泡相的流动特征以及各水轮机对应的σ~η曲线图。计算结果表明,当长短叶片比例为0.47时,水轮机临界空化系数最小,为0.060 8,相比长短叶片比例为0.6时降低了8.82%;当3种水轮机处于同一空化系数下时,该型水轮机效率最高;随着水轮机转轮短叶片的增多,水轮机的空化性能及能量性能得到了明显的提升。研究结果对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等具有一定的指导意义。     

水轮机转轮的三维粘性流数值计算及其结果分析

针对比转速ns为290的混流式水轮机转轮进行三维粘性流数值计算，并对计算结果作了初步分析．计算中，紊流模型采用目前国内外广泛使用的k-ε模型，流速与压力的迭代修正采用SIMPLE法．共对包括设计工况在内的8个工况点进行了流场数值计算及水力性能分析．计算表明，设计工况下的流速分布最为均匀，叶片进口边基本上为无冲角绕流，效率也最高；随着水头的提高，正冲角增加，最后在叶片背面进水边后靠上冠处产生漩涡区；而当水头相对设计水头降低时，负冲角增加，最后在叶片正面进水边后靠上冠处产生漩涡区．经分析认为这些漩涡区是非设计工况下叶道涡产生的根源，亦是水力性能下降的主要原因．此外，通过对压力系数分布曲线的分析，确定了局部低压区，从而为改型设计提供了依据．计算结果不仅能详细给出水轮机转轮内的流速和压力分布，而且能给出水轮机转轮的水力性能预估值，本计算所依赖的计算软件可成为水轮机转轮开发研究的重要手段．     

混流式水轮机内三维定常湍流数值研究

基于 k-ε紊流模型和三维时均N-S方程,进行了混流式水轮机全流道的三维定常湍流计算.捕捉到了水轮机过流部件内的流场和非最优工况下转轮通道及尾水管内的旋涡结构与演化特征等流动信息.结果表明,水轮机的全通道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,所得到的结果对进行水轮机的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义.     

混流式水轮机上冠空腔结构内部流场及单向流固耦合分析

为研究上冠空腔结构对混流式水轮机水力性能与结构特性的影响,建立了不含上冠空腔结构（No UpperCrown Cavity Structure,NUCCS）和含上冠空腔结构（Upper Crown Cavity Structure,UCCS）的两种混流式水轮机全流道几何模型,基于SST湍流模型、顺序耦合法、预应力模态分析,对NUCCS与UCCS的两种混流式水轮机展开数值模拟和单向瞬态流固耦合计算,发现泄水锥处上冠空腔结构可减少转轮内部二次流动损失。在0.8Q_d、Q_d和1.2Q_d的3种流量工况点,分别对混流式水轮机展开瞬态流固耦合计算,对比研究转轮结构的应力应变特性。研究发现含UCCS时,转轮等效应力和变形量均有减小。在小流量0.8Q_d工况点,转轮结构等效应力及应变较小,其最大变形点位于下环附近。在设计流量Q_d和大流量1.2Q_d工况点,转轮等效应力及应变较大,其最大变形点位于上冠附近。在NUCCS与UCCS的转轮进行预应力模态分析时,发现上冠空腔结构对转轮的模态影响很小。本文研究内容可为提升混流式水轮机设计水平提供一定参考依据。     

含沙河流中混流式水轮机转轮优化设计的研究及其软件包的开发

通过对水轮机泥沙磨损机理和磨损条件的分析 ,提出了改善水轮机磨损条件的措施 ,在二元理论基础上 ,对含沙河流中混流式转轮叶片设计方法进行了研究。采用稳定可靠的数值计算方法 ,进行了转轮流场计算、叶片数值积分、叶片加厚等工作。对初步设计的转轮进行了效率和磨损预测。开发了一套实用的含沙河流中混流式转轮叶片水力设计计算机辅助设计系统 ,并给出了一个运用该软件的设计实例。     

混流式水轮机转轮叶片的自由曲面构造

针对混流式水轮机叶片传统木模图的缺陷，基于参数样条自由曲线造型理论，从叶片木模图所提供的数据出发，生成了叶片的数值模型，为进行叶片振动特性及相关力学特性的数值分析计算提供了原始依据。     

岩滩水电站水轮机转轮分析对比

广西岩滩水电站一期工程装有4台混流式水轮发电机组,总装机容量1 210 MW,水轮机模型为A286a,1995年全部建成发电;2003年将3号水轮机改造为A773a模型转轮,之后陆续将另外3台机组水轮机全部更换为A773b模型转轮。于2010年10月动工的二期扩建工程装机2×300 MW,水轮机模型为A964,二期首台机组于2013年11月25日投入商业运行。文章对岩滩水电站不同的水轮机转轮进行分析对比,探讨水电站设计时影响水轮机转轮选择的重要因素。     

基于转轮换型的水轮机增容改造及数值模拟

从青海铁吾电站HL160-WJ-84水轮机运行中的实际问题出发,在明确了水轮机改造的方向和目标后,对新旧型谱系列模型转轮的性能进行了对比分析。基于对比结果,初选出了D06A转轮用于技术改造试验。对改造前后的水轮机全流道进行三维湍流数值计算,给出了水轮机改造前后的水动力学特性差异。同时,对改造前后的水轮机蜗壳、转轮叶片的流态分布状况进行了分析比较,对改造后的水轮机整体水力性能进行预估。分析认为,对于小型卧式HL160机组而言,更换转轮后还需对上冠泄水孔实施改造,以防止对流场造成扰动,降低机组的效率。     

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.     

基于虚拟仿真技术的水轮机转轮的优化设计

转轮是水轮机的核心部件,直接影响水轮机的正常运行和经济效率.通过传统的实物模型试验的方式研制转轮成本较高,周期又很长.采用计算机仿真实验的方式替代传统的实物模型对混流式水轮机转轮进行优化设计,并介绍虚拟仿真技术在转轮优化设计的应用。     

八盘峡水电厂5号机组改造及D179a型转轮的应用

Ｄ１７９ａ水轮机转轮是东方电机厂在八盘峡水电厂５号水轮机改造过程中，研制的一个性能优良的模型转轮。实践证明该转轮比瑞典原有ＫＶ４转轮大流量区的效率明显提高，空蚀性能优良，其最优工况点效率可比原转轮提高２．２％，设计点的效率在９２％左右，是２０ｍ水头段性能优良的转轮之一，Ｄ１７９ａ水轮机转轮在八盘峡水电厂５号水轮机改造的情况和现场试验的结果，可供其他水轮机改造和优化时参考。     

龙滩水轮机转轮的设计和制造评述

龙滩水轮机转轮的设计和制造,在特大型机组中具有代表性,尤其是在工地制作700 Mw转轮,更居首次。转轮的设计和制造,由福伊特西门子水电设备公司负责,目前此项工作正在进行中,第一台转轮已组装焊接完毕,并进行了退火热处理。文章就龙滩水轮机转轮的水力设计、模型试验、转轮结构设计、转轮工地制造及转轮的最终验收,进行评述并提出一些建议。