某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

低水头混流式水轮机振动噪声的原因分析及研究

西南某低水头电站,水轮机在额定水头额定出力下运行良好,但在高于额定水头及满负荷、超负荷区域,机组出现强烈振动及噪声。经分析认为,振动工况特征点位于转轮运转特性曲线上的叶道涡区域内,CFD数值模拟也表明,在高水头满负荷、超负荷运行区内,转轮叶片间存在不稳定涡流,则该电站水轮机在高水头高负荷下的振动及噪声是由叶道涡引起的。     

叶道涡危害及机理研究

为弄清混流式水轮机叶道涡是否引起压力脉动及危害、危害机理和程度,本文在模型观测试验的基础上结合电站实际进行了深入研究。本文首先介绍了叶道涡模型试验的方法及结果,结合压力脉动频谱分析及尾水管空化观测结果,指出叶道涡工况出现的频率接近转速频率的压力脉动由叶道涡引起,其频率随单位流量增加而增高,随单位转速增加而降低。叶道涡空腔随水流进入尾水管后,以转轮出口环向流速旋转,空化空腔在转轮叶片出口压力场扰动下产生收缩-膨胀甚至溃灭-生成的循环,衍生出新生压力脉动。叶道涡多发生于低单位转速的低负荷工况及高单位转速的大负荷工况,和水电站实际发生的类转频压力脉动非常一致,其频率覆盖范围也基本重叠,因此可推断类转频压力脉动由叶道涡压力脉动引起。研究还发现,三峡等大型水电站发生过该类型小负荷、类转频强烈压力脉动,由叶道涡引起;天生桥一级、二滩、李家峡等电站发生的转轮叶片出水边裂纹、尾水管锥管进口撕裂等破坏同样由叶道涡压力脉动危害造成。     

水泵水轮机增减负荷过程三维流动特性大涡模拟分析

采用大涡模拟(LES)对水泵水轮机增减负荷过渡过程进行三维非定常数值模拟,捕捉到了不同开度下叶道中多种涡系结构,展示了叶道涡涡量分布,分析了水轮机工况及水泵工况小流量运行区的流动结构变化特性,揭示了水流进口攻角与叶道涡涡系结构关系,对各类叶道涡不同形态进行了研究并提出了马蹄涡识别变量,并对比分析了水轮机工况及水泵工况涡结构变化特性。计算表明水泵水轮机的水力稳定性与机组运行工况改变时的流动结构特性密切相关,在增减负荷过渡过程中,叶道涡结构的尺度及分布范围均随时间发生较大变化,是影响流态发生巨变的主要因素。     

混流式水轮机转轮叶片出口水压脉动试验研究

由于混流式水轮机在高水头部分负荷区域运行时内部流态非常复杂,可能会出现叶道涡及尾水管涡带等水力不稳定现象．为了探讨在转轮叶片间存在不同水流状态时叶片出口处的水压脉动情况，专门在JF1055模型水轮机上进行了10个工况、3个测点位置的水压脉动试验研究．试验是在高精度水力机械模型通用试验台上进行的．试验分两步进行，第一步为不带小铜管试验，第二步为带小铜管试验．试验结果表明，紧靠转轮下环叶片出口处的水压脉动幅值约为尾水锥管上常规测点处水压脉动幅值的3～5倍．     

水轮机转轮选型、制造和投运过程中问题处理

介绍大朝山电站水轮机转轮的设计选型，稳定性问题研讨和采取的措施、以及在机组投运过程出现卡门涡等引起转轮叶片共振及裂纹的处理过程、结果和转轮改进、水轮机试验情况。     

水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动和转轮受力

水泵水轮机甩负荷过渡过程中,压力脉动和转轮受力剧烈变化,导致事故频发。本文采用动网格技术对某模型水泵水轮机的甩负荷过渡过程进行全流道三维数值模拟,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化特性及其演变的内流机理。结果表明:甩负荷过渡过程中,转轮进口回流的出现和发展显著增加了无叶区内流体的湍动能,使导叶与转轮之间的动静干涉明显增强,导致压力脉动幅值急剧上升,其最大值达到初始阶段的5倍以上;与此同时,转轮进口局部产生的回流使无叶区内的湍动能和压力脉动强度在高度方向不均匀分布;此外,转轮进口回流发展使叶道内流态分布失衡,产生低频旋转失速,导致转轮叶片所受力矩和径向力的波动幅值快速上升,最大波动幅值分别达到初始阶段的10倍和60倍,而尾水管涡带对其的影响处于次要地位。     

水轮机卡门涡诱发振动分析研究

通过卡门涡频率预估模型对水轮机固定导叶、活动导叶、转轮叶片后产生的卡门涡频率进行分析计算,在水轮机设计阶段对叶片出水边进行卡门涡频率的预估和评定,确保水轮机投入商业运行时不会产生卡门涡诱发的机组振动问题。     

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．     

长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。     

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。     

ANALYSIS AND ESTIMATION OF HYDRAULIC STABILITY OF FRANCIS HYDRO TURBINE

With the development of large-capacity hydro turbines, the hydraulic instability of hydro turbines has become one of the most important problems that affect the stable operation of the hydro-electric units. The hydraulic vibration and unstable operation of Francis hydro turbines are primarily caused by the unsteady pressure pulsations inside draft tubes. The forced rotating vortex core at the runner exit and the channel vortices inside Francis turbine runners are origins of the unsteady pressure pulsations when operating at partial load. This paper briefly analyzes the hydraulic instability of operation caused by the vortex core and channel vortices at partial load, then, presents a way to estimate the hydraulic stability by calculation of the flow behavior at the runner exit. The validity of estimation is examined by comparison with experimental data. This will be helpful to evaluate the alternative design and predict the hydraulic stability for both the prototype and model hydro turbines.     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。     

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。     

混流式水轮机转轮抗磨蚀水力性能研究

转轮严重磨蚀是在多泥沙河流运行的水轮机普遍存在的问题。通过对含泥沙水流在水轮机转轮内流动特性的研究，成功设计出抗磨蚀的混流式水轮机转轮。该转轮已在九子溪水电站运行了4年半时间，未进行过磨蚀修复，机组还增容15.3％。实践证明，磨蚀研究成果及转轮设计思想是正确的。     

应用卡耶里（CAYERE）方法测量联接法兰面水平

水轮发电机组的安装和检修过程中,需要对构成机组的零部件的形状、尺寸和位置等进行严格的测量和调整。对于水轮机转轮的联轴法兰面、主轴法兰的端面、推力轴承镜板和推力头的上端面等,这些平面的水平要求很高,其测量和调整显得尤其重要。高精度平面水平测量使用的主要仪器是框型水平仪,卡耶里(CAYERE)方法是一种使用框型水平仪为测量工具,对圆形平面的水平进行测量和分析的精确方法。在三峡左岸电站ALSTOM机组安装中应用该方法测量转轮、主轴等法兰面水平,取得了很好的应用效果。     

冷却塔能量回收水轮机的叶片数对水力性能的影响

利用PRO/E软件对水轮机进行三维建模,应用k-ε湍流模型和雷诺时均N-S方程对水轮机进行数值模拟,研究了不同叶片数对水轮机各过流部件水力损失、效率以及压强和流速分布的影响。结果表明:随着转轮叶片数的增加,水轮机效率先增大后减小,在叶片数为20时达到峰值。同时,增加叶片数,叶片间的涡带变小,转轮流线旋转环量增大。水轮机各过流部件中转轮损失最大,损失水头在1 m左右。     

水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机无叶区压力脉动的幅值和频率特性,总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征,指出了无叶区压力脉动的主频为叶片通过频率。其次,本文应用自由涡环量等于常数原理,通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析,提出了水泵水轮机水轮机工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。