贯流式水轮机定常流动分析

为了了解贯流式水轮机内部流动特点,为贯流式水轮机稳定运行提供借鉴和参考,本文基于计算流体力学基本理论,使用商业软件CFX对水电站贯流式水轮机内部三维流场进行了全流道定常数值模拟,研究贯流式水轮机内部不同工况下的流动特点。通过计算结果表明,不同工况下水轮机内部流动变化很大。低水头工况在导叶头部驻点,转轮叶片正背面压力分布和尾水管进口压力变化与高水头工况存在较大差异,对转轮整体效率影响较大。所得结果可为贯流式机组的日常运行和优化设计提供借鉴。     

混流式水轮机出口旋流与尾水管涡带关系分析

为在设计过程中预测尾水管涡带,分析混流式水轮机转轮出口旋流与尾水管涡带之间关系,通过三维非定常雷诺时均值法对一个180 m水头段的混流式水轮机在三种典型工况下进行数值模拟分析,在数值模拟的基础上可视化尾水管涡带形状,并与模型试验的结果进行比较,验证模拟尾水管涡带方法的正确性。通过对典型工况下转轮出口速度、出口旋流数和涡带形状等来分析转轮出口旋流与尾水管涡带的关系,同时分析在尾水管锥段内旋流数轴向变化规律。结果表明：转轮出口旋流数随运行流量减小而增大,当转轮出口旋流数大于临界值时,尾水管内形成螺旋形涡带及低速区与回流;旋流数小于临界值时,尾水管内无明显涡带产生。     

低水头混流式水轮机蜗壳和尾水管结构变化对流动损失的影响研究

酉酬水电站水轮机组为混流式机组,具有水头低、流量大的特点。受客观条件制约,电站真机蜗壳和尾水管尺寸比按模型换算的真机尺寸值要小一些,在设计阶段需要通过数值模拟分析尺寸改小后对机组水力性能的影响。本文建立了包括蜗壳（含固定导叶）、活动导叶、转轮和尾水管等在内的水轮机整体流道的流动分析物理模型,分别比较了原设计方案（称为方案一）和尺寸改小后方案（称为方案二）各9个工况下的流道内部的水力损失及流动状态。通过对计算结果的比较分析,得出结论：方案二的固定导叶损失在各个工况点大于方案一,在小流量、低水头时损失较小;尾水管损失在低水头时大于方案一,高水头时小于方案一,在高水头、小流量时损失较小。     

混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动

对引起混流式水轮机水力振动的原因进行了研究，从尾水管涡带引头的水力振动着手，结合中，外大型混流式水轮机模型试验及真机试验结果，得出在低水头工况，低负荷工况，中负荷工况，高负荷工况的基本振动规律，并对减轻混流术式水轮机水力振动的主要对策作了论述。     

混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动

对引起混流式水轮机水力振动的原因进行了研究，从尾水管涡带引起的水力振动着手，结合中、外大型混流式水轮机模型试验及真机试验结果，得出了在低水头工况、低负荷工况、中负荷工况、高负荷工况的基本振动规律，并对减轻混流式水轮机水力振动的主要对策作了论述     

灯泡贯流式水轮机全流道压力脉动数值模拟

采用大涡模拟方法对灯泡贯流式水轮机全流道非定常湍流进行数值模拟,分析了额定工况和小流量工况下的压力脉动特征。计算结果表明:额定工况下,导叶前后、转轮出口的压力脉动主频为叶片频率,振幅最大值出现在转轮出口,尾水管内的压力脉动主频为转轮的转动频率,幅值相对较小;小流量工况下转轮出口产生偏心涡带,涡带旋转导致尾水管内产生低频压力脉动,低频压力脉动由尾水管向上游传递,幅值逐渐减小;额定工况下叶片上监测点的压力脉动频率为转轮转动频率的整数倍,幅值较小;小流量工况下,叶片上监测的点压力脉动幅值显著增大,脉动主频与次主频之和约为转轮的转动频率。     

自由液面对贯流式水轮机性能影响的数值研究

贯流式水轮机已成为开发低水头和超低水头水力资源及潮汐能的良好机型,但振动、出力不足等问题频繁出现。同时贯流式机组水头与转轮直径之比（H/D1）较小,受比尺效应的影响,依靠模型机所得到的水轮机性能与实际存在差异。鉴于此,文章在考虑与不考虑库区自由液面及水流重力两种情况下对贯流式水轮机真机进行数值研究,对比分析自由液面及水流重力对水轮机性能的影响,并揭示贯流式水轮机内部真实流动状态以及出力不足的原因。研究结果表明：在自由液面及水流重力影响下,贯流式水轮机进口段水流呈现明显的不均匀性,转轮内压力分布由顶部到底部逐渐增大,叶片在旋转过程中要经历周期性的压力波动;不同位置的叶片对转轴产生的扭矩不同,水轮机的出力及效率有较大幅度的下降。研究结果将对贯流式水轮机的设计及运行具有一定的指导意义。     

工况变化对贯流式水轮机叶顶间隙流态的影响

贯流式水轮机是低水头水能资源开发的主力机型之一,而转轮叶片叶顶间隙流动特性是影响其空化、稳定性能的关键因素.基于数值模拟的方法,本文研究了工况变化引发转轮叶片叶顶间隙泄漏涡初生位置、形态变化的机理,分析了间隙泄漏涡形态改变对水轮机空化、稳定性的影响规律.主要结果表明:工况变化必然伴随导叶开度变化,导叶开度的改变使得转轮...     

混流式水轮机转轮低水头低负荷运行时的空蚀

本文通过混流式水轮机转轮的流动分析、模型试验,并结合电站现场空蚀的调查结果,对低水头、低负荷工况运行混流式水轮机转轮的空蚀特性进行了研究。其结果表明低水头、低负荷工况运行混流式水轮机转轮的空蚀轻微。     

余压发电贯流式水轮机飞逸特性研究北大核心CSCD

随着贯流式水轮机发电技术的日益成熟,利用其回收循环水系统余压能的工业应用越来越多。本文将一维特征线(MOC)方法与三维计算流体力学(CFD)方法相结合,开发了一维管网和三维贯流式水轮机耦合模拟方法,模拟了真实系统中贯流式水轮机飞逸过程,探究了该过程中故障水轮机流动特性及转轮受力特性。主要结果表明:由稳态工况到飞逸状态所需的时间随着转动惯量减小而变短;转轮和尾水管域的监测点压力脉动振幅高值均发生在转轮叶频及其高次谐波;飞逸过程中,转轮所受轴向力大幅下降,而径向力表现出大幅增加且剧烈振荡特性;转轮叶片表面压力出现明显的交变规律,负压区位于进水侧叶缘处;尾水管内逐渐形成较大旋涡,并沿着流动方向逐渐向管道壁面发展。     

轮毂间隙对轴流转桨水轮机性能影响的研究

应用CFD商业求解器ANSYS CFX-14对一转浆水轮机轮的内部流场进行数值模拟,来研究轮毂间隙流动对水轮机性能及内部流场的影响。计算流域包含所有过流部件的全流道,计算网格采用高质量的多块结构化网格,湍流通过剪切应力传输(SST)湍流模型来模拟。为了细化前后轮毂间隙对流场的影响,共计算了四种几何模型,包括没有轮毂间隙、只包含叶片头部的轮毂间隙、只包含叶片尾部的轮毂间隙、包含叶片头尾部的轮毂间隙。通过对各种计算结果的比较和分析发现,转轮尾部轮毂间隙对水轮机流场的影响比头部轮毂间隙影响大。间隙流动导致转轮最优工况点效率下降了0.35%,水轮机总体效率下降了0.15%。但间隙流动同时改善了下游尾水管内中心附近的流态,导致尾水管内的水力损失有所下降。     

后置导叶对潮汐双向贯流式机组性能的影响

潮汐双向贯流式水轮机与常规贯流式水轮机的重要区别在于其需要兼顾正向和反向来流工况。为了均衡提升双向贯流式水轮机正反向运行条件下的性能,针对某潮汐双向贯流式水轮机,本文采用商业软件ANSYS CFX,研究了不同后置导叶位置和数量对双向贯流式水轮机性能及内部流动特性的影响。对比结果可知,后置导叶位置和后置导叶数量对机组反向发电时的性能影响较大,后置导叶安放位置系数为0.5和后置导叶数量为8时,机组总体性能较好。随着后置导叶数量增加,正向工况时尾水管水力损失减小,后置导叶通道水力损失反而增大;反向工况时转轮水力损失不断减小,转轮效率逐渐增大。研究成果为潮汐双向贯流式水轮机关键过流部件的优化设计提供技术参考。     

基于正交试验多目标的两叶片灯泡贯流式水轮机性能优化

两叶片转轮适用于超低水头条件发电,并可弥补三、四、五叶片灯泡贯流式机组在超低水头条件下的缺陷,提高汛期发电量和电站低水头时运行稳定性。基于ANSYS CFX平台,采用正交试验法对某电站增容改造后的两叶片贯流式机组进行多目标结构优化。以叶片扭角、叶片安放角、轮毂比及导叶数4个设计参数作为影响水轮机的因素,探究其对机组出力、效率、压力脉动、叶片静应力和叶片变形这5个评判指标的影响规律。通过直观分析和极差分析结合的方法确定最优组合方案,并对优化前后的机组性能进行对比分析。通过研究发现:相对于其他3个设计参数,叶片扭角对水轮机性能影响最大。优化后,水轮机出力由3.13kW增加到4.11kW,增加31.3%;效率由87.63%提高到89.05%,提高1.42%。尾水管中段回流和漩涡消失,水流变得平顺,极大改善了流道内水流流态。     

低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动研究

基于Realizable k-ε湍流模型,对某蓄能电站模型水泵水轮机进行几何建模,设定压力脉动监测点,进行三维全流道水轮机工况非定常数值计算,分析导叶开度为29mm,33mm,37mm和41mm四个工况下各监测点的压力变化,并与模型试验结果进行对比,研究水泵水轮机在低水头下的压力脉动特性。结果表明:Realizable k-ε湍流模型对低水头下水泵水轮机压力脉动的数值模拟可行,在大开度工况时更加精确;导叶开度为29mm时水泵水轮机内部监测点压力脉动最强,随着导叶开度的增加压力脉动在逐渐的减弱;转轮旋转形成的"活动导叶-转轮-尾水管"两级动静干涉,使活动导叶与转轮之间无叶区内监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律,对应主频为叶频,尾水管锥管段时域图也呈现周期性变化,并在其频域图叶频处出现一个峰值;肘管内监测点压力脉动由于尾水涡带的影响主频为0.17~0.56倍转频的低频分量。     

基于流固耦合的贯流式水轮机应力分析

结合不同流固耦合的求解特点和应用条件,在ANSYS Workbench中分别运用单向流固耦合和双向流固耦合的方法对国内某电站的贯流式水轮机在最高水头、设计水头和最小水头三种工况下的静应力和动应力进行了计算分析和比较。结果表明:各种工况下,转轮的最大静应力和最大动应力均出现在叶片根部与轮毂连接处,最大位移均出现在叶片外缘,且叶片位移从根部到外缘逐渐变大;导叶的最大静应力和最大动应力位于根部,最大位移位于外缘。与转轮相比,导叶的应力和位移值都较小。转轮和导叶的最大静应力和最大动应力的最高值出现在最高水头工况。静应力最高值远小于材料的屈服极限,而动应力最高值则达到了材料屈服极限的79%,说明使转轮结构产生破坏的原因不是静应力,而可能是动应力的作用。     

南五水电站抬机现象的分析与处理

针对南五水电站发生的抬机现象，着重分析了在小型低水头电站的设计中，易被忽视的转反向水推力对抬机的影响；指在低水头小型电站的调保计算中，应综合考虑水轮机在导叶关闭时，尾水真空与转轮的反向水推力抬机的影响。     

基于全流道非定常流动计算的轴流式水轮机尾水管压力脉动分析

以轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值模拟为基础,对轴流式水轮机尾水管内的非定常流场进行了分析,研究了尾水管内涡带的形态,对尾水管压力脉动的幅值和频率特点进行了分析.结果表明,大流量工况时,在尾水管内形成了一个与转轮旋转方向相反低压涡带,引发了低频压力脉动,这种低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一.     

湖南镇电站3号水轮发电机组的增容改造

介绍了湖南镇电站3号水轮机组存在的问题,在发电机结构和水轮机固定通道基本不改变的条件下,适当修整尾水管形状,应用据实际情况新设计的转轮,提高转轮设计水头,既改善转轮流道中的水流工况,消除振动,又达到机组增容目的,获得可观的经济效益。     

500 m水头段冲击式转轮开发研究

高水头冲击式水轮机转轮在我国开发最少，影响了冲击式水电站的建设，文章着重介绍500m以下水头段使用的冲击式转轮的设计特点及利用先进的数值模拟技术与实验研究相结合的开发过程．最后介绍了所开发研究的冲击式转轮与传统转轮的性能对比及电站真机的试验测试结果。证明了本转轮是一个性能比较优良的新转轮。     

磁性丁腈橡胶在贯流式水轮机转轮轮毂密封中的应用

针对贯流式水轮机转轮轮毂密封失效而引起泄露的问题,本文对磁性丁腈橡胶密封材料的受压、摩损和磁性进行分析,并利用UTM磨损试验机对磁性丁腈橡胶进行试验,验证了磁性丁腈橡胶密封的泄露量和磨损消耗远低于普通密封材料。将磁性丁腈橡胶应用于黄河柴家峡水电站贯流式水轮机转轮轮毂的设计,电站实际运行监测表明,磁性丁腈橡胶的密封效果十分明显,具有良好的密封耐磨性能。研究成果为水轮机密封行业提供了新的研究材料。