Numerical predictions of pressure pulses in a Francis pump turbine with misaligned guide vanes

Previous experimental and numerical analyses of the pressure pulse characteristics in a Francis turbine are extended here by using the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport （SST） turbulence model to model the unsteady flow within the entire flow passage of a large Francis pump turbine with misaligned guide vanes at the rated rotational speed. The S-curve characteristics are analyzed by a combined use of the model test and the steady state simulation with the aligned guide vane firstly. Four misaligned guide vanes with two different openings are chosen to analyze the influence of pressure pulses in the turbine. The characteristics of the dominant unsteady flow frequencies in different parts of the pump turbine for various misaligned guide vane openings are investigated in detail. The predicted hydraulic performance and the pressure fluctuations show that the misaligned guide vanes reduce the relative pressure fluctuation amplitudes in the stationary part of the flow passage, but not the runner blades. The misaligned guide vanes have changed the low frequencies in the entire flow passage with the change of the pulse amplitudes mainly due to changes in the rotor-stator interaction and the low frequency vortex rope flow behavior.     

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。     

混流式水轮机转轮的改型研究

本文结合某电站ＨＬ７０２转轮的增容改造，提出了一种混流工水轮机转轮的改型设计模型，该模型将导叶与转轮联合设计，通过迭代将导叶的影响计入转轮的设计，使设计模型与实际流动更为接近，该模型可用于其它型式的叶片式水力机械转轮的改型与开发研究。     

藏木水电站高比速混流式水轮机优化设计

结合藏木水电站高比转速水轮机参数优化项目,通过CFD分析,对模型水轮机的蜗壳、尾水管、转轮等水力过流部件进行了全面优化设计。通过模型试验验证,藏木水电站水轮机水力性能研究达到了预期目标,CFD分析结果与模型试验结果基本吻合,为高比转速转轮的水力性能优化提供参考。     

四川关州水电站水轮机结构设计

关州水电站为高水头、大容量的混流式水轮机机组,水轮机设计技术参数、结构件强度要求高。对水轮机转轮、转轮摩擦传递扭矩方式、转轮止漏装置、导叶传动机构、主轴下法兰对转轮补气结构、顶盖和蜗壳座环的优化设计和蜗壳水压试验工具的设计。     

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.     

太平哨水电厂HL240型水轮机转轮改型研究

现代计算机数值模拟技术的不断进步，为水轮机转轮的改型设计创造了条件。HL240型水轮机能量指标低、过流能力差，国内相当一部分中小型水电站是套用此转轮。应用考虑转轮来流有旋、叶片有限厚及转轮叶片力作用的转轮与导叶联合作用的基于S1流面的准三维设计模型，研究出HL240的改进型转轮，并通过相对效率法效率试验对比，鉴定了改型转轮的效率特性。结果表明，水轮机效率特性明显增加，在高负荷区表现尤为明显。     

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。     

混流式水轮机叶道涡的减轻与消除方法

根据混流式水轮机转轮内叶道涡现有研究资料,介绍了叶道涡的产生原理、分类及危害,重点阐述了补气、转轮叶片修型、活动导叶修型及转轮更换等几种减轻消除叶道涡的方法,为发生叶道涡引起的水轮机事故的水电站提供了参考及借鉴。     

混流式水轮机叶片疲劳裂纹分析及其改进方案

近年来,国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题,对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以混流式水轮机为研究对象,通过全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算,分析该转轮产生疲劳裂纹的原因。随后提出在叶片出水边和上冠连接处加装应力释放三角块的方案,以降低叶片最大有效应力值、改善叶片应力分布。计算结果表明该方案可以明显降低叶片最大有效应力、改善叶片应力分布。计算结果也可为其它水轮机转轮的疲劳裂纹及其应力特性分析提供参考。     

混流式水轮机转轮叶片加厚的数值方法

本文介绍了混流式水轮机转轮水力设计中基于数值计算的叶片加厚方法，此方法的特点是利用计算机来解速度快，精度高。     

混流式水轮机叶片强度计算及其应力特性改善

近年来，国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题，对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以一混流式水轮机为研究对象，通过混流式水轮机全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算，分析该转轮产生疲劳裂纹的原因；其次通过在叶片出水边和上冠连接处加应力释放三角块来降低叶片最大有效应力值和改善叶片应力分布。结果表明应力释放三角块可以明显降低叶片最大有效应力和改善叶片应力分布。本文计算结果可为其它水轮机转轮的转轮疲劳裂纹分析及应力特性改善提供参考。     

水轮机活动导叶的耐磨设计及实验研究

通过对含沙水流条件下水轮机导叶的水力损失及磨蚀机理进行分析研究，重新设计制作了活动导叶的翼型，并与现行标准导叶在专门设计的模型实验台上进行了对比实验，得出了一些有价值的结果。为进一步进行导叶翼型的研究提供了有益的参考。     

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。     

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...     

基于熵产理论的水泵水轮机反S区水力损失机理分析

水泵水轮机在水轮机工况运行时易进入反S不稳定区,影响机组的安全稳定运行。传统压差法在计算水力损失时不能获得损失的具体分布和详细来源,因此水泵水轮机在反S区水力损失机理仍有待深入研究。本文采用雷诺时均方法对某原型抽蓄电站水泵水轮机在活动导叶开度分别为12°和35°下的反S区运行工况进行了数值模拟,基于熵产理论对各个过流部件和不同类型的水力损失进行了定量分析,并结合流场分布情况进一步明确了水力损失的分布特点和产生原因。结果表明,水泵水轮机进入反S区会引起导叶段水力损失占总水力损失的比例逐渐增大,而转轮段水力损失逐渐减小。在不同类型的能量损失中,湍流熵产占据主导,壁面熵产次之,直接熵产最小。随着水泵水轮机进入深度反S区,转轮区湍流熵产损失较大区域从转轮进口的叶片压力面转移到转轮出口叶片吸力面。水泵水轮机位于反S区时,转轮对水流做功输入能量,使无叶区总压大幅上升,活动导叶开度增大会显著增大无叶区水流能量幅值。     

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。     

双树寺电站电气化县改造项目设计优化及调试运行对策

为消除双树寺电站水工建筑病险隐患,解决机电设备老化、发展进入瓶颈的问题,通过相关参数的优化,减少弃水,增大流量;在装机容量新确定为1600k W时,选择混流式机组;并对压力管道设计、水轮机选型设计、水轮机吸出高度确定、安装高程设计等进行总体优化;调试运行过程中,针对导水叶密封不严、轴瓦温度过高、水轮机出力不足、发电机振荡和失步问题,研究补救措施和解决技术方案。技改后,原有的病险隐患消除,效益显著,电站实现了农村水电安全生产标准化建设目标,有效保护了生态环境,推进了绿色小水电建设发展进程。     

混流式水轮机转轮流道数据库系统的设计及应用研究

阐述了混流式水轮机转轮流道数据库应用软件的研制及实现过程。在研制过程中，应用规范化理论、模式分析方法和实体－联系方法对混流式水轮机转轮流道几何形状尺寸进行分析，得出混流式水轮机转轮流道数据库的概念模式，并从中抽出典型的基本数据结构。根据基本数据结构的特点和数据存取要求，建立了混流式水轮机转轮流道的数据库应用软件，该软件可在混流式水轮机转轮优化设计过程中根据实际要求作出转轮流道图，为混流式水轮机转轮的优化设计作了有益的尝试。