水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩试验研究

为分析水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩大小及其变化规律,针对国内某抽水蓄能电站的水泵水轮机模型,基于电测应力分析方法,对活动导叶轴进行特殊加工处理,分别进行水轮机工况下同步导叶和非同步导叶的水力矩试验。对试验结果分析得出:在不使用非同步导叶时,随着导叶开度的增大所有被测导叶的导叶水力矩因数变化保持一致,并且水力矩的方向从导叶关闭方向逐渐转向导叶开启方向;设置10~#导叶为非同步导叶后,在非同步导叶开度与同步导叶开度值相差小于16.4%时,被测导叶的水力矩因数趋于均匀分布,差值大于16.4%时随着开度值的增大水力矩急剧增大,并且不同导叶的水力矩因数差别较大。     

Design and development of guide vane cascade for a low speed number Francis turbine

Guide vane cascade of a low speed number Francis turbine is developed for the experimental investigations.The test setup is able to produce similar velocity distributions at the runner inlet as that of a reference prototype turbine.Standard analytical methods are used to design the reference turbine.Periodic walls of flow channel between guide vanes are identified as the starting profile for the boundary of the cascade.Two alternative designs with three guide vanes and two guide vanes,without runner,are studied.A new approach,for the hydraulic design and optimization of the cascade test setup layout,is proposed and investigated in details.CFD based optimization methods are used to define the final layout of the test setup.The optimum design is developed as a test setup and experimental validation is done with PIV methods.The optimized design of cascade with one guide vane between two flow channels is found to produce similar flow conditions to that in the runner inlet of a low speed number Francis turbine.     

NUMERICAL SIMULATION AND ANALYSIS OF PRESSURE PULSATION IN FRANCIS HYDRAULIC TURBINE WITH AIR ADMISSION

In this article, the three-dimensional unsteady multiphase flow is simulated in the whole passage of Francis hydraulic turbine. The pressure pulsation is predicted and compared with experimental data at positions in the draft tube, in front of runner, guide vanes and at the inlet of the spiral case. The relationship between pressure pulsation in the whole passage and air admission is analyzed. The computational results show: air admission from spindle hole decreases the pressure difference in the horizontal section of draft tube, which in turn decreases the amplitude of low-frequency pressure pulsation in the draft tube; the rotor-stator interaction between the air inlet and the runner increases the blade-frequency pressure pulsation in front of the runner.     

低扬程灯泡贯流泵水力特性及内部流场数值模拟

为了更加深入地研究灯泡贯流泵及其后置导叶的水力性能,采用CFD方法,借助于RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLIEC算法,对灯泡贯流泵装置全流道进行了数值模拟,分析了其在4种特殊流量工况点下机组后置导叶的流动特性,研究了灯泡贯流泵的内部流动特征。结果表明:在最优工况点时,泵装置的内部流态较好,水流平直顺畅,导叶的导流作用最好;在小流量工况下,泵叶轮进口处出现了大范围的回流、漩涡区,叶轮出口处出水流的流态紊乱,相邻叶片翼型周围有明显的回流区,后置导叶翼型周围的流态紊乱,存在大范围的不良流态区域;在大流量工况下,叶片周围流态较好,出水流态内的回流区较少,但导叶周围的流态较差。可见,后置导叶对叶轮出口处水流的导流作用明显,偏离最优工况时,导叶区的水力损失较大。     

水轮机流道非恒定流对过机鱼体影响研究

基于鱼类借助水轮机流道下行过坝时成活率较低的背景,在利用视频分析技术捕捉草鱼幼鱼通过模型轴流式水轮机下行典型路径的基础上,结合CFD数值模拟技术对水轮机流道非恒定流对过机鱼体的影响进行深入研究。结果表明,水轮机过渡过程中导叶关闭时间与过机鱼体的损伤概率有一定的相关性。随着水轮机导叶关闭时间的延长,鱼体通过水轮机下行的受压力损伤概率降低,但受压力梯度损伤的概率增加。综合比较压力及压力梯度对过机鱼体的损伤影响,表明:导叶关闭时间延长会增加对过机鱼体造成损伤的概率。因此,对于水轮机流道有过鱼需求的水电站,在不影响稳定运行的条件下,为保护鱼体安全过机,应适当降低导叶关闭时间。研究结论可对减小过机鱼体损伤概率的水轮机优化运行提供一定参考。     

不同导叶数对超低比转速水轮机水力性能的影响

为研究固定导叶数对小流量、低比转速的冷却塔专用超低比转速水轮机水力性能的影响,利用CFD技术对不同固定导叶数的超低比转速水轮机进行模拟分析,研究了4种不同导叶数对超低比转速混流式水轮机水力性能的影响。结果表明:水轮机匹配18个固定导叶时,超低比转速水轮机内部流动更加均匀,导叶间压力在圆周方向对称性更好;转轮流线分布更加顺畅,流态更好,尾水管涡量更小;水轮机运行稳定性增强,机组出力和水轮机效率提高。     

高水头混流式水轮机内部固液两相流数值分析

针对泥沙直径对混流式水轮机蜗壳和导水机构内部流场产生影响的问题进行了初步研究,采用固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行了全流道数值模拟,通过单一变量法来研究不同来流泥沙的直径对蜗壳和导水机构内部压力及泥沙分布产生的影响。研究结果表明:与清水相比,含沙水流会不同程度地使蜗壳和导水机构内部的水压力载荷增加,在相同工况下,蜗壳底部、蜗壳鼻端、固定导叶和活动导叶头部的泥沙浓度较大;小直径下泥沙分布均匀,随着泥沙直径的增加,泥沙浓度的梯度变大,泥沙分布更加集中,从而会使磨损加剧。该研究成果可为在含沙水流中运行的水轮机设计提供参考。     

水泵水轮机泵工况旋转失速压力脉动特性及转动机理

水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行,叶道内易发生旋转失速,可诱发剧烈的低频压力脉动,严重影响水电站的安全稳定运行。本文采用尺度自适应(SST-SAS)湍流模型对某模型水泵水轮机泵工况进行全流道非定常数值模拟,得到不同工况点下旋转失速引起的压力脉动特性及失速涡团的周向转动机理。结果显示,在40%~80%设计流量下运行时,导叶区发生旋转失速,失速涡团的转动频率为叶轮转频的3.3%~8.1%。旋转失速发展强度越剧烈,转动越慢。旋转失速周向转动的机理是:失速与非失速相邻导叶流道内存在较大压力梯度,在其作用下,失速流道内流体从活动导叶与固定导叶之间通道流向非失速流道,加剧非失速流道内流动分离。被阻碍的水流与无叶区主流叠加流向下一流道,并在活动导叶吸力面进口前缘产生局部低压,导致当前非失速活动导叶流道在进口与出口之间的逆压梯度增强,使流体反向流动,流道产生失速。     

运行工况对水轮机活动导叶表面泥沙浓度分布的影响

采用标准k-ε模型对水轮机内部沙水流动进行数值模拟,研究了不同工况下映秀湾电站活动导叶泥沙分布情况。研究结果表明,活动导叶磨损主要集中在头部且工作面比背面磨损量大,泥沙颗粒在活动导叶底部有堆积。活动导叶泥沙绕流速度分布规律相似,并随着出力的增加头部绕流速度明显增大。     

三峡水轮机全流道三维流动数值模拟研究

本文使用商业CFD软件FLUENT,开发了部分接口程序,进行了全流道原型水轮机三维湍流数值模拟研究,计算对象是中国水利水电科学研究院机电研究所为三峡右岸开发的水轮机模型,该水力模型有完整的模型试验资料,可用于检验计算结果。水轮机全流道三维湍流数值模拟,计算区域为包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的全部流道。模拟中控制方程采用了三维时均N—S方程、湍流模型采用两方程RNG k-ε模型,数值方法采用贴体坐标的有限体积法。共进行了3个开度条件下的计算,每个开度各进行4个典型工况的三维湍流流场模拟,通过数值方法求解控制方程,获得了全流道的流速和压力分布。计算结果表明流速和压力分布合理,数值计算得到的效率与试验得到的效率进行比较,结果吻合良好。     

Master equation and runaway speed of the Francis turbine

The master equation of the Francis turbine is derived based on the combination of the angular momentum(Euler) and the energy laws. It relates the geometrical design of the impeller and the regulation settings(guide vane angle and rotational speed) to the discharge and the power output. The master equation, thus, enables the complete characteristics of a given Francis turbine to be easily computed. While applying the energy law, both the shock loss at the impeller inlet and the swirling loss at the impeller exit are taken into account. These are main losses which occur at both the partial load and the overloads and, thus, dominantly influence the characteristics of the Francis turbine. They also totally govern the discharge of the water through the impeller when the impeller is found in the standstill. The computations have been performed for the discharge, the hydraulic torque and the hydraulic efficiency. They were also compared with the available measurements on a model turbine. Excellent agreement has been achieved. The computations also enable the runaway speed of the Francis turbine and the related discharge to be determined as a function of the setting angle of the guide vanes.     

运西水电站竖井贯流式水轮机性能优化

采用雷诺时均方程(RANS),选择S-A湍流模型,运用SIMPLEC算法,利用CFD数值模拟技术,数值模拟了不同方案的运西水电站水轮机流道内流场,分析了转轮直径、叶片翼型、叶片个数、叶片安放角、转轮轮毂、转轮转速、导叶翼型、导叶轴线与机组中心线夹角、导叶个数、叶片及导叶安装位置、导叶开度对水轮机性能的影响,叶片数为3时水轮机装置性能较优,机组最高效率点分别在转速为187.5r/min、导叶个数为15时出现。对原有流道可改变部件做适当优化后,将优化后的转轮应用于电站进行数值计算,根据全流道的数值模拟结果,预测电站改造后机组的水力性能。根据数值计算的结果制作模型水轮机和真机进行模型试验和真机测试。结果表明,数值模拟结果与模型实验以及现场运行结果曲线的变化趋势一致,数值模拟结果基本能够准确反映电站的外特性和内部流场特征。     

叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究

大型含导叶立式离心泵广泛应用于高扬程远距离调水,旋转叶轮与静止导叶动静干涉引起的无叶区内高幅值压力脉动是影响其稳定运行的关键因素.为研究叶轮与导叶匹配关系对水泵水力特性的影响,对3台模型泵开展能量特性与压力脉动同台对比实验,分别监测了进水流道、无叶区和压水室的压力脉动信号,并进行时域和频域分析.结果表明:泵运行流量越靠...     

导叶开度对混流式水轮机压力脉动特性及流动诱导噪声的影响

为研究导叶开度对混流式水轮机压力脉动特性及流动诱导噪声的影响,应用CFD和LMS Virtual Lab软件分别对混流式水轮机在三种导叶开度下进行非定常流场和声场数值计算。结果表明:混流式水轮机内压力脉动主要受到叶片通过频率(108.33Hz)以及低频脉动(4.15Hz)的影响;随着导叶开度的增大,叶频对转轮进口和蜗壳内压力脉动的影响逐渐增加;外场噪声的分布与混流式水轮机的几何轮廓相吻合;尾水管弯肘段有助于减弱混流式水轮机流动噪声声压;导叶开度越大,混流式水轮机辐射出的外场噪声声压值越大,偶极子特性越明显。研究结果可为混流式水轮机组的稳定运行及流动诱导噪声的控制提供参考。     

丹江口水力发电厂4号机组固定导叶修型

丹江口水力发电厂4号水轮机改造除水轮机外还包括了对固定导叶的修型。固定导叶是支承座环的支柱,在设计时要求水流以最小的水力损失流经固定导叶。此次修型主要是通过铲磨固定导叶进出水边,改变导叶的型线,力求固定导叶型线与蜗壳所形成的水流流线相重合。文章详细介绍了固定导叶修型的方法,重点介绍了修型时采用的关键技术。     

水轮机活动导叶关闭过程中导水机构内动态流场数值模拟研究

水力机组在暂态过程中诱发的强瞬变流是一种复杂的非定常湍流,对机组安全稳定运行具有重要影响。为了探索水轮机活动导叶动态调节动作诱发叶后强瞬变流对机组暂态特性的影响,本文应用模拟流固耦合动态效应较好的浸入边界法和大涡模拟技术来处理该类强非线性动边界流体动力学问题。首先,精细模拟槽道内两级线性排列动静叶栅动态绕流叶后压力和尾迹结构分布,由于受到固定导叶和活动导叶动静干涉的影响,其下游流场表现出复杂的非定常流动特征。随后完成了水轮机导水机构两级非线性环列叶栅动态绕流的模拟,展现了水轮机导叶调节运动的关闭过程。该方法可用于水轮机流道内多级翼型叶栅绕流的精细模拟,为研究水轮机调节振荡对机组暂态性能的影响提供有益的参考,对耦合上游管道系统水力暂态和水轮机三维暂态效应的研究也有指导意义。     

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。     

Experimental investigations of transient pressure variations in a high head model Francis turbine during start-up and shutdown

Penetration of the power generated using wind and solar energy to electrical grid network causing several incidents of the grid tripping, power outage, and frequency drooping. This has increased restart （star-stop） cycles of the hydroelectric turbines significantly since grid connected hydroelectric turbines are widely used to manage critical conditions of the grid. Each cycle induces significant stresses due to unsteady pressure loading on the runner blades. The presented work investigates the pressure loading to a high head （ He = 377 m, De = 1.78 m） Francis turbine during start-stop. The measurements were carried out on a scaled model turbine （HM = 12.5 m, DM = 0.349 m）. Total four operating points were considered. At each operating point, three schemes of guide vanes opening and three schemes of guide vanes closing were investigated. The results show that total head variation is up to 9% during start-stop of the turbine. On the runner blade, the maximum pressure amplitudes are about 14 kPa and 16 kPa from the instantaneous mean value of 121 kPa during rapid start-up and shutdown, respectively, which are about 1.5 times larger than that of the slow start-up and shutdown. Moreover, the maximum pressure fluctuations are given at the blade trailing edge.     

水泵水轮机极小开度反水泵工况压力脉动与内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,水轮机工况启动时机组常不能由空载直接带负载,容易进入反水泵区,导致机组并网困难。本文以模型水泵水轮机为对象,对极小导叶开度下的多个反水泵工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨极小导叶开度下反水泵区机组的非定常流动特性。数值计算采用SAS SST-CC湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与模型试验数据吻合较好。对流量较小的工况进行非定常计算,旋转转轮9个叶道各8个测点的压力脉动结果显示,相似位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,峰峰值的差异最大达到4.2%,说明此时转轮内的流态分布很不均匀。测点离导叶越近,低频脉动的主频从0.19 fn逐渐增加到1.07 fn;动静干涉引起的20 fn脉动幅度会逐渐增强,但转轮出口位于出流与入流过渡区的测点趋势则不同。结果显示在反水泵工况区运行,转轮各叶道间的流态分布极不对称,充满了严重的流动分离和漩涡。     

小型混流式水泵水轮机水力设计

采用二元理论结合螺旋势流设计了混流式水泵水轮机,并利用Pro/ENGINEER建立三维几何模型。通过对不同曲率导叶的CFD数值模拟计算,分别得到水泵工况和水轮机工况下的流场流线图、速度图以及压力图,证实标准导叶更适用于混流可逆式机组。效率估算结果显示,机组效率在水轮机工况达到85%,水泵工况达到88%,说明设计方法可行。