贯流式水轮机压力脉动特性及尾水管流态分析

本文以福建高唐水电站灯泡贯流式水轮机真机为研究对象,对贯流式水轮机满负荷工况、额定工况和低负荷工况进行了三维非定常数值模拟,各工况导、桨叶均为各自对应的最优协联角度,来分别研究三种工况压力脉动特性和尾水管的流动情况.结果表明,灯泡贯流式水轮机在导叶进口、转轮进口和尾水管进口压力脉动主要是受叶片通过频率影响,即由转轮旋转所引起的,而在尾水管出口主要受低频压力脉动的影响.同时,满负荷工况时,脉动幅值最小,尾水管流线相对分布均匀,形成的涡量最少,额定工况至低负荷工况,幅值越来越大,尾水管流线也越来越紊乱,漩涡数量明显增加.     

灯泡贯流式水轮机效率问题

灯泡贯流式机组具有适用水头低、机组过流量大、效率高等特点,已广泛应用于开发低水头水力资源.针对灯泡贯流式机组运行过程中受水质、水中漂浮物、导叶与轮叶协联和气蚀、尾水位变化等影响使机组发电效率变化较大,提出了密切关注机组运行工况、优化调度以提高机组效率.     

贯流式水轮机流动特性及压力脉动特性研究

基于STAR CCM+软件,对贯流式水轮机全流道进行三维非定常数值模拟,研究不同水头工况下贯流式水轮机的内部流动特性及压力脉动特性。结果表明,贯流式水轮机内部压力脉动主要受到叶片通过频率(10Hz)和低频压力脉动的影响,在转轮进口和无叶区处,水轮机压力脉动主要由转轮旋转引起,在尾水管进口处,压力脉动既有低频压力脉动也有高频压力脉动,在尾水管中间,压力脉动受低频压力脉动影响;随着水头的变化,转轮中心截面上的压力和速度变化呈周期性分布;尾水管管壁流速随着水头的增加逐渐减小,尾水管中低频压力脉动频率较高,截面上的漩涡较大,当水头达8.6m时,尾水管进口处的漩涡逐渐减小,流态较好。     

灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性分析

为了研究灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性,以某水电站贯流式水轮机为研究对象,利用RNG k-ε湍流模型对全流道进行数值计算,分析在小流量工况下尾水管恢复系数和全流道流动情况,并定量分析水轮机部分过流部件的压力脉动情况。结果表明：在小流量工况下当电站水头和导叶开度不匹配时,尾水管的恢复系数减小,当尾水管恢复系数减小2%~3%时,机组效率降低1%;受转轮主流区和尾水管死水区的相互作用,在尾水管边壁会形成漩涡结构,有明显的回流且在边壁存在高速流体;在小流量工况下,机组主要受低频压力脉动影响,转轮进口处的主频是由在转轮转动和导叶提供机组环量时产生的,在尾水管中主要受频率为0.2 Hz的低频压力脉动影响,压力脉动系数沿尾水管出口方向依次增大,最大为1.75%。     

一种新型潮汐能水轮机的性能分析

文章基于CFD和模型实验的方法为国内某工程开发了一种转轮直径为0.8 m的新型超低水头潮汐能水轮机。利用数值模拟的方法对海工及机组模型进行1∶1的建模,并根据当地潮差数据确定计算工况点。对比分析了水轮机的内特性和5种不同叶片安放角下水轮机的出力和效率,确定了不同潮差对应的机组进出口水头。在此基础上,利用数值模拟确定的机组进出、口水头进行转轮直径为0.4 m的模型实验,对比分析了5种叶片安放角下模型的出力和效率,并对叶片安放角为28°的模型实验数据和数值模拟数据进行了对比,发现两者的数据比较接近,由此验证了数值模拟的可靠性。     

双级贯流式水轮机一级叶片轮缘间隙流动的数值模拟

基于N—S 方程、κ-ε湍流模型和MRF法,在额定工况下对双级贯流式水轮机一级叶片不同的轮缘间隙进行了全流道数值模拟,采用分块网格技术对流道划分网格并对间隙进行加密处理,应用SIMPLEC算法进行近似数值模拟计算,分析了轮缘间隙对水轮机性能、叶片表面流动及间隙流动影响。通过对水轮机间隙流动的定性分析与定量计算,揭示了双级贯流式水轮机一级叶片轮缘间隙内流动规律。     

偏工况下贯流式水轮机叶顶间隙内部流动分析

为研究偏工况下贯流式水轮机叶顶间隙内部流动特征,以某水电站实际运行的水轮机为研究对象,基于SSTk-ω湍流模型,研究水轮机在流量为308.538 m3/s,间隙值为10 mm时叶顶间隙内部流场的压力和速度矢量分布以及叶顶间隙内的轴向速度和湍动能分布特性.研究结果表明:在工况3条件下,间隙为10 mm时,在叶片工作面和背...     

基于流速仪法的灯泡贯流式水轮机绝对流量测试方法

根据灯泡贯流式水轮机的布置特点,分析了流速仪法测流的断面选择、测点布置和积分方法,进而在一原型水轮机上开展了绝对流量测试,获得了测量断面的流速分布,积分得出较可靠的绝对流量数据,并利用实测的绝对流量数据对压差测流系数进行校正。根据测试结果,讨论了流速仪法在灯泡贯流式水轮机绝对流量测试中的局限性,针对影响测量准确性的若干因素,提出了可行的改进措施。实践表明,流速仪法是开展灯泡贯流式水轮机绝对流量测试与研究的可行方法,值得行业内借鉴推广。     

大型贯流式水轮机组安装技术及可视化

贯流式水轮机是开发低水头水能资源和潮汐能的最佳机型,文章结合我国南方某贯流式水电站的建设,介绍了大型贯流式水轮机组结构特点和安装技术,用3Ds max实现了贯流式水轮机组安装工艺的可视化,对同类机组的安装有指导意义。     

Loss analysis and design optimization of a small scale mixed-flow pump turbine using the orthogonal method

为了研究各部件对小型混流式水泵水轮机水泵工况和水轮机工况下水力性能的影响,对一小型水泵水轮机进行不同流量下的全流道数值模拟,针对两工况下总压损失集中的叶轮进行正交设计优化。应用L9（3⁴）正交表,选取4个叶轮关键设计参数,以水泵工况扬程偏离率、效率和水轮机工况效率作为目标,进行4因素3水平的正交设计,并通过全流道数值模拟方法和极差分析方法进行选优。结果表明叶片出口直径对泵和水轮机工况性能影响最大,优化后水泵设计工况效率提高了1.06%,水轮机设计工况效率提高1.62%,其相应最优工况点因包角增加而向小流量工况移动。     

采用开缝叶片流动控制的低比转速离心泵数值模拟与试验研究

基于流动控制技术,以某型号的低比转速离心式不锈钢冲压叶轮作为研究模型,采用数值模拟和试验研究了叶片不同开缝位置(r/R)对叶轮内部能量、湍流动能及耗散率分布的影响,同时制作了开缝叶片离心泵样机模型,并进行了试验验证,分析了叶片上开缝的相对位置对离心泵的扬程及效率等外特性的影响,比较了叶片有、无开缝的性能变化。研究结果表明:叶片开缝的位置对叶轮内流体能量的分布以及获得的总压能影响较大;开缝的存在会引起离心泵内部流场的变化,在开缝的地方会产生湍动能及耗散率的突变;不同的开缝相对位置对离心泵性能影响不同,开缝的相对位置为0.875,与没有开缝叶片的离心泵相比,效率提高了1.52%,拓宽了离心泵的高效区间,在大流量时,开缝存在起到了抑制分离的产生,提高了离心泵的扬程,改善了叶轮流道中流体的流动状态。     

基于弯曲叶片的氦气轴流压气机优化设计

针对高负荷氦气压气机中角区分离、叶顶泄漏严重带来的效率损失问题,以单级氦气压缩机为研究对象,利用CFD方法,分析了不同弯曲角度下氦气压气机内部的角区损失和叶顶泄漏损失,并优化了现有五级轴流氦气压气机。结果表明：叶片正弯会增加端区处的静压,减少角区分离,进而降低角区损失;对动叶而言,在设计攻角下正弯也会增加前缘损失;动叶叶顶反弯使泄漏流远离下一个叶片的压力面,而合适的反弯角度可以降低叶顶泄漏量;选取合适的弯曲角度使五级轴流压气机设计点效率提高1.85%。     

Effect of blade wrap angle in hydraulic turbine with forward-curved blades

Hydraulic turbine is used for recovering power by using reverse running pump. In order to improve the efficiency of turbine working condition, the impeller with forward-curved blades was applied instead of the impeller with backward-curved blades. The effects on the performance of hydraulic turbine and inner flow character with different blade wrap angles were studied by the method of numerical simulation. The results show that: with the blade wrap angle growth, the maximum efficiency increases, but the range of the flow rate at the high efficiency decreases rapidly; the flow state of hydraulic turbine which in small flow area obtains a remarkable improvement; the flow within the impeller improves and the friction loss increases; the hydraulic loss in the small flow area inside the impeller declines but it grows in the large flow area.     

水泵水轮机转轮加装短叶片前后的流动特性对比

为对比高水头水泵水轮机的转轮加装短叶片前后的能量特性及流动特性,基于SST湍流模型,选取4个具有代表性的水泵及水轮机工况,对有/无短叶片的水泵水轮机进行全流道三维定常计算。数值模拟结果表明,以水泵运行时加装短叶片可抑制脱流与漩涡等二次流现象,降低单个叶片承受的水力载荷,提高转轮进出口、导叶区及蜗壳静压,使泵获得更高的扬程。水轮机运行时添加短叶片可减小转轮出口环量,改善在尾水管内形成的复杂漩涡流,提高其水力效率。相同边界条件下,长短叶片转轮改善了转轮区的流动条件,从而提升了机组的能量特性及水力稳定性。     

Effects of a kind of non-smooth blade on the unsteady flow field at the exit of an axial fan

An experimental investigation of effects of a kind of streamwise-grooved blade on the unsteady flow field at an exit of an axial-flow fan was performed. The flow field at 25% chord downstream from the trailing edge at hub was measured using a fast-response five-hole pressure probe at different mass-flow conditions. The unsteady flow of the grooved blades was compared with that of the smooth blades. The measurement results indicate that： （1） the grooved blades restrain the velocity fluctuation and the pressure fluctuation by modulating the blade boundary layers, which contributes to the flow loss reduction in the hub region and in the rotor wake region at the design condition; （2） the stream-wise grooves play an important role in restraining the radial migration in the blade boundary layer and abating the tip flow mixing, which contributes to the flow loss reduction in the tip region at the design condition; （3） at the near stall condition, the grooved surface can not reduce the flow loss, even increase the loss nearby when the separation happens in the blade boundary layer.     

不同材质风力机叶片绕流流场特征变化PIV实验研究

考虑风力机叶片变形对绕流流场的影响,通过粒子图像测速（PIV）方法,采集两副翼型相同、材质分别玻璃聚酯（叶片Ⅰ）和玻璃聚醋内部填充泡沫（叶片Ⅱ）的水平轴风力机叶片绕流流场信息,对不同测试截面处流场数据进行分析。研究结果表明：相比于叶片Ⅰ,相同工况下,叶片Ⅱ的总体涡量、回流区的面积和时均速度更大,轴向雷诺应力更小;随着相对轴向距离的增加,时均速度在相对高度方向波动减小,材质对轴向雷诺应力影响逐渐减弱。实验工况下,叶片材质对绕流流场特征的影响大于叶尖速比对其的影响,并沿径向方向有增大的趋势。     

Performance analysis of mini centrifugal pump with splitter blades

Design method for a mini centrifugal pump is not established because the internal flow condition for these small-sized fluid machines is not clarified and conventional theory is not suitable for small-sized pumps. Then, a semi-open impeller for the mini centrifugal pump with 55mm impeller diameter is adopted in this research to take simplicity and maintenance into consideration. Splitter blades are adopted in this research to improve the per- formance and internal flow condition of mini centrifugal pump having large blade outlet angle. The performance tests are conducted with these rotors in order to investigate the effect of the splitter blades on the performance and internal flow condition of the mini centrifugal pump. A three dimensional steady numerical flow analysis is con- ducted to analyze rotor, volute efficiency and loss caused by a vortex. It is clarified from the experimental results that the performance of the mini centrifugal pump is improved by the effect of the splitter blades. Flow condition at outlet of the rotor becomes uniform and back flow regions are suppressed in the case with the splitter blades. Further, the volute efficiency increases and the vortex loss decreases. In the present paper, the performance of the mini centrifugal pump is shown and the flow condition is clarified with the results of the experiment and the nu- merical flow analysis. Furthermore, the performance analyses of the mini centrifugal pumps with and without the splitter blades are conducted.     

叶片数对低比转速离心泵性能影响分析

振动及空化是影响离心泵性能的重要因素。为了进一步优化流道,提高离心泵的性能,在保证离心泵其他参数不变的情况下,设计了3种不同叶片数叶轮。对3种离心泵进行全流道三维非定常湍流数值模拟,分析叶片数对离心泵性能的影响。结果显示:不同叶片数离心泵在两个监测点的压力脉动主频都是相对应的叶片通过频率,次频为叶片通过频率的倍频。叶片数的变化对隔舌处的压力脉动变化影响较大。随着叶片数的增加,离心泵的扬程逐渐增大,离心泵的效率变化比较复杂,当叶片数为5时,离心泵的效率最高。随着进口压力的不断降低,离心泵叶轮所受扭矩发生变化,在临界空化余量附近,泵扭矩发生陡降。     

气冷涡轮转子变叶尖间距性能试验及数值研究

为量化评估工程应用的气冷低压涡轮带冠转子叶片的叶尖间距大小对涡轮气动性能的影响,综合现有涡轮部件试验能力,以单级轴流低压涡轮性能试验件为基础,通过控制圆度的机加方式磨削转子外环内壁以实现叶尖间距的变化,采用控制冷气流量比的方法,开展5次不同叶尖间距大小的涡轮级性能试验,得到多工况下涡轮效率、换算流量和换算功率等特性参数。采用加载冷气及考虑转子叶冠结构的数值模型进行三维仿真计算,并与试验结果对比分析。研究表明：叶尖间距由0.6 mm增加至3.2 mm,低压涡轮流通能力增大1%,叶冠泄漏量增多3.4%,但做功能力下降2.3%。涡轮效率变化与叶尖间距大小近似呈线性关系,叶尖间距每增加1 mm,效率约降低0.7%,同时,叶尖间距的增加导致了叶冠腔的旋涡结构、气流掺混及主流入侵强度逐渐增大,引起动叶总压损失的增大,叶尖间距增加至3.2 mm导致叶间位置总压损失由0.88增至2.3。     

基于响应面法的圆盘泵叶轮优化研究

为了提高圆盘泵的水力性能,以径向直叶片圆盘泵为研究对象,结合计算流体动力学方法(CFD)与响应面分析法,研究叶轮结构参数对泵扬程和效率的影响。以叶片高度、叶片数量和盘间距为优化设计变量,泵的扬程和效率为响应变量,基于Box-Behnken样本点设计法进行三因素三水平设计,建立17组样本点。通过ANSYS CFX数值计算软件对各个样本点的设计模型进行数值模拟,并基于二阶响应面回归方程拟合了叶轮结构参数与扬程和效率之间的关系表达式。研究结果表明:叶片高度、叶片数量和盘间距均对泵的水力性能有明显的影响。多因素交互作用中叶片高度和盘间距的组合影响最为显著。通过响应面方程找到了最优参数组合,优化后的圆盘泵扬程在各流量工况下平均提升了22 m,最高效率提升了15%。