混流式水轮机叶道涡工况下转轮的流动特性分析

为了探究叶道涡工况下混流式水轮机转轮的流动特性,以某长短叶片混流式水轮机为例,选取出现叶道涡的小流量工况,基于N-S方程及RNG_(κ-ε)湍流模型对水轮机进行全流道定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动对转轮内部流动的影响。结果表明,在叶道涡工况下,由于导叶出流角的减小,导致转轮叶片头部与来流发生撞击,使流道中的湍流、漩涡现象发展更加剧烈,加强了叶片压力的不均匀分布;容易产生裂纹的叶片危险部位的压力脉动频率等于转轮频率与叶片数的乘积;分布于转轮叶片靠近上冠处的叶道涡对转轮的流动影响较大,导致此处的压力脉动的频率高、振幅大,因此易产生局部的高频应力,致使转轮在该位置产生周期性的疲劳破坏。     

低水头电站导水机构内流场的水力优化计算

针对蜗壳(包括固定导叶)内流场的回流和撞击问题,以Fluent为工具,采用SIMPLE算法,对低水头电站蜗壳和导水机构进行三维不可压定常粘性流动数值模拟,分析了产生问题的原因,提出采用改善固定导叶型线及进出口角度的方法对固定导叶进行优化。对优化后模型进行最优工况下的数值计算表明,优化结果较为理想,改善了原设计中部分导叶处流态不稳定的状况,为水轮机固定导叶的优化提供了依据。     

变几何涡轮可调导叶瞬时转动气动特性研究

为探究单级变几何涡轮(VGT)在导叶转动过程中的过渡态性能,对某动力涡轮进行了非定常数值计算,应用动网格技术实现导叶转角的改变,并对导叶通道开大或关小过渡过程中涡轮性能进行了分析。结果表明：导叶转角从0°变化到-5°时,单级涡轮效率逐渐下降1.6%,从0°变化到6°时,效率逐渐提高0.5%;质量流量和导叶出口绝对气流角随转角改变接近线性变化,而动叶出口相对气流角、熵增、效率和导叶出口总压损失等随转角改变呈抛物线型变化;过渡态下导叶流场内损失变化主要受上、下端壁处间隙泄漏涡影响,动叶出口熵增变化规律主要受动叶吸力侧泄漏涡和下部通道涡影响,其中下部通道涡的改变是引起熵增变化的主要原因。     

卡门涡街激发直管内声场的实验研究

搭建了一方型长直管实验台,利用钝体绕流生成卡门涡街,首先研究冷态条件下涡脱落激发直管内一维声场的特性,为后续研究涡街激发热声不稳定提供实验基础与参考依据。试验测量了不同涡街频率及两种代表性涡脱落位置下激发产生的声学脉动压力信号,分析了二者对激发管内一维声场的影响。试验发现,涡街激发的声场是多频率不同强度的声波叠加的结果,与旋流燃烧器的热声不稳定特性相似;激发出的声波频率、幅值与涡街频率及涡脱落位置有关,且只有部分涡街频率下的激发声波表现驻波特性。     

导叶不同开度下抽水蓄能机组水轮机工况内流特性分析

为了解抽蓄机组水轮机工况下活动导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行活动导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,探讨活动导叶开度对过流部件内部流场的影响.结果表明:随着导叶开度的增加,水泵水轮机的流量增大,转轮力矩增大但增幅降低,效率先增大后降低.蜗壳整体上的压力沿周向分布比较均匀,从蜗壳进口到蜗壳出口均匀降低,水力损失较小;固定导叶形状及安放角与活动导叶搭配影响较大,小开度和大开度工况下活动导叶和固定导叶进口处水力损失大;压力变化线与进出口是否平行影响转轮内部流态,中开度转轮叶片做功最好;小开度工况下易产生偏心涡带,降低机组效率,不利于尾水管能量的回收,中开度工况下尾水管流态最好.研究结论对抽水蓄能机组运行提供了理论参考.     

导叶开度对混流式水轮机尾水管内流动特性的影响

为了深入研究尾水管内的流动特性,结合某电站混流式水轮机的实际运行情况,基于标准的κ-ε湍流模型,选用Fluent软件在额定水头不同导叶开度下对其进行全流道数值模拟,分析了不同导叶开度对混流式水轮机尾水管内部流动特性的影响。结果表明,当导叶开度为100%时尾水管内部形成了周期空化涡带,此涡带的存在易导致水轮机机组产生强烈振动;当导叶开度较小时,尾水管内速度分布较为均匀;尾水管进口段的压力分布情况对导叶开度的变化较为敏感,可通过合理控制导叶开度来减小尾水管内的水力振动,降低水力损失。     

叶片尾缘劈缝射流尾迹相干结构数值研究

为揭示射流速比对尾迹流场及相干结构的影响规律,以叶片尾缘劈缝射流尾迹为研究对象,在非定常数值模拟结果基础上,采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)得到不同射流速比时尾迹脉动速度的频谱特性和POD模态及模态系数的频谱特性,研究表明:采用SAS(Scale Adaptive Simulation)湍流模型得到的计算结果与PIV实验结果吻合较好;不同射流速比时,尾迹中大尺度相干结构特性发生变化,导致回流区形态和空间尺度发生改变;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,但是不同射流速比时其脱落频率发生较大改变;射流速比的变化导致上、下板某一侧的旋涡强度增强,向下游输运距离更远,上、下板尾缘卡门涡的强度及空间尺度呈不对称性。     

涡壳结构参数的正交试验优化设计

在涡轮增压器涡壳的新产品开发中，对涡壳进行有限元分析和实测试验发现，在涡壳的某些局部热应力较大并且产生热裂纹。根据有限元分析结果及实测中裂纹出现的位置，结合现有的涡壳结构和过去的设计经验，确定涡壳结构中6个结构因子的设计不合理为引起热裂纹产生的主要原因，进一步用正交试验优化设计方法对原模型中影响涡壳热裂纹产生的6个主要结构参数进行分析。分析结果表明，涡壳的流道分隔墙厚度为5mm，有W／G凸台，流道壁厚取5mm，T—T截面采用圆弧形，舌形挡板厚度是3．6mm，V型圈边为平面过渡时的模型为优化的模型。此模型顺利通过实测试验和有限元分析。     

多工况下高水头水泵水轮机压力脉动特性分析

为研究多工况下高水头水泵水轮机内部的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为例,采用SST湍流模型对非设计工况点下的水泵水轮机进行三维全流道非定常数值模拟,同时监测了固定导叶与活动导叶间、无叶区及尾水管处的压力脉动。结果表明,对于固定导叶与活动导叶之间的区域,水轮机工况下的压力脉动主频为叶片通过频率,而水泵工况下的最高扬程和最低扬程工况的主频分别为转频和叶片数通过的频率;对于无叶区,由于受到强烈的动静干涉效应,水轮机、水泵工况下的主频均为转轮叶片数通过频率,且脉动幅值较大;对于尾水管区域,直锥段处的频率分布规律与流量有关,水轮机小流量工况下,尾水管内主要为0.3倍转频的低频压力脉动,而水轮机大流量工况下,脉动频率主要以2.6倍转频为主。     

叶片尾缘冷气喷射气动与传热性能分析

基于尺度自适应(Scale Adaptive Simulation,SAS)湍流模型,对叶片尾缘偏开缝射流尾迹结构、尾迹掺混损失和壁面冷却有效度在不同射流/主流速度比(VR)条件下的变化规律进行数值模拟研究。结果表明:VR为1.0时冷气对尾缘壁面的冷却效果总体较好;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,随着VR的增大,其脱落频率与旋涡强度增大,导致涡量和剪切应力升高,而尾迹掺混损失由湍流脉动能量和板后回流区长度共同决定;VR为0.5和1.0时尾迹掺混损失相差不大,VR为1.5时相比0.5时增大了4.53%。     

基于流固耦合的变几何涡轮叶片传热特性研究

本文利用流固耦合数值模拟分析的方法,对某型船用燃气轮机涡轮可变几何导叶进行了气动与传热分析。在同一工况下,当导叶调整旋转角度分别为-3°、0°、+8°时,涡轮导叶叶片表面以及叶顶端区传热特性会发生改变。经计算发现:对整体导向叶片而言,叶片旋转轴所在的圆盘部位平均温度较低,圆盘所在区域的热应力分布相对较高;导叶旋转角度的变化不会从根本上改变流场及叶片表面的压力分布,但会改变泄漏涡发生的初始位置以及涡核的拓展区,从而降低了泄漏涡对压力损失造成的影响,由于固体叶片具有良好的导热特性,改变导叶角度不会大范围地改变叶片表面的温度分布及热应力分布。     

变几何涡轮可调叶栅过渡态特性研究

变几何涡轮使发动机在变工况下的性能得到提升,为了更透彻地了解变几何涡轮导叶转动过程中参数的变化情况,通过数值模拟及试验方法探究可调叶栅过渡态特性。将变几何涡轮导叶进行调节,导叶调大范围为0°~6°,导叶调小范围为0°~-5°,观察过渡态参数变化规律。试验研究表明：导叶在调大及调小过程中,导叶出口质量流量、绝对气流角和绝对马赫数随转角接近线性变化,导叶出口总压损失系数和熵增接近抛物线变化;导叶从0°向-5°转动过程绝对出口马赫数减小了2.2%,总压损失系数增加了37.3%;导叶从0°向6°转动过程中,导叶出口马赫数增加了1.5%,导叶出口总压损失系数减小了15.8%;在导叶转角和二次流改变的影响下,吸力侧和压力侧来流在导叶尾缘后掺混改变,沿叶高分布的出口绝对气流角不同程度地偏离几何出口角;导叶转角调大,上部通道涡沿叶高上移,泄漏涡和通道涡相互削弱,总压损失系数减小。     

中低比转速混流式水轮机空化与水力振动分析

针对中低比转速水轮机空化、振动问题比较突出的现象,以大桥电站水轮机为例,采用分离涡模型(DES)对其进行了三维CFD计算,得到了活动导叶、转轮和尾水管内的压力分布、速度分布及压力脉动特性。结果表明,转轮空化发生在叶片出水边靠近下环的区域,与实际情况相符;机组在高水头、大开度工况下,振动更突出,振动频率为机组旋转频率的整数倍,表明振动主要由转轮造成,而非尾水管涡带引起的。     

增压器支架裂纹分析及优化

随着涡轮增压器在发动机上的应用越来越普遍,增压器固定方式是否合理、可靠也成为增压器整体布置工作中重要的一环。增压器除涡端螺栓打紧固定外,为增加系统模态及热稳定性,需增加支架固定。增压器支架不同于一般机舱固定支架,除了承受机械载荷外还需承受热应力,增压器支架在应用过程中失效风险也更大,这就要求增压器支架在开发时更加关注材料选择及结构设计的合理性。本文通过研究某机型上增压器耐久试验过程中出现的裂纹情况,从冲压件设计及制造两方面分析失效的原因,并根据问题真因制定优化措施防止裂纹产生。     

三角形涡发生器增强U型通道换热性能研究

将三角形涡发生器及导叶结构应用于U型通道中,以提高燃气轮机高温叶片内部换热性能.在验证分析方法正确性的基础上,数值研究了采用不同结构时U型通道内的流动及换热特性.与典型的布置斜肋的U型通道不同,三角形涡发生器通过诱导产生下洗涡对,从而有效地强化U型通道的换热能力.而将导叶布置于U型通道转折处,可进一步提高三角形涡发生器在U型通道流出段的换热性能,并降低通道的阻力损失.和典型的布置斜肋的U型通道相比,在不同雷诺数下带导叶且布置三角形涡发生器的U型通道内换热的均匀性显著提高,在通道换热能力相当的情况下,阻力损失显著降低,综合换热性能提高20.0%左右.     

某核电厂管壳式换热器流致振动分析

为查找某核电厂疏水冷却器(管壳式换热器)换热管断裂的原因,本文采用ANSYS软件对换热管进行建模,确定管束的自振频率,利用TEMA标准计算换热管束的卡门漩涡脱落频率、临界流速及振幅。通过自振频率与卡门漩涡脱落频率对比及实际流速与横流流速的对比判定,确定了卡门漩涡脱落及流体弹性不稳定是导致疏水冷却器换热管束断裂的根本原因。提出针对性的解决措施,其成果对于核电站管壳式换热器的安全运行有借鉴意义。     

某压气机进口级流动损失及静叶流场分析

采用三维雷诺平均N-S方程求解方法,对某燃气轮机压气机进口级流动进行模拟,研究了峰值效率点及近失速点的性能及流动特性,探索叶片通道中引起高损失的原因,分析了静叶通道内复杂的流动结构及吸力面角区分离的产生机制。结果表明:当该压气机级向近失速工况推进时,静叶中的能量损失较导叶、动叶增长更快;静叶下端壁大范围低速流体是损失的主要来源;通道涡及泄漏涡是静叶通道内主要二次流,其共同作用造成大面积总压损失;近失速工况下沿流向和展向的逆压梯度增大且二次流增强,导致静叶吸力面下端壁角区分离现象的出现。     

裂纹对叶盘系统振动特性影响的研究

为减少叶盘系统故障,针对存在裂纹叶盘系统振动特性展开研究。建立裂纹深度和位置分布不同的叶盘的结构模型,利用有限元分析方法对其振动特性进行研究。结果表明：裂纹使叶盘系统固有频率明显降低,随着裂纹深度的增加,基频降低的幅度增大;相比于单个裂纹,当叶盘结构含有两个裂纹时,叶盘结构的二阶频率也会降低,且当两个裂纹分布在相邻的叶片时,其二阶频率降低的程度弱于其他分布情况。     

水轮机导水部件流场的研究

采用数值分析与模型实验相结合的方法,对水轮机导水部件双列环列叶栅流场进行了分析研究。表明采用边界元法对水轮机双列环列叶栅流场进行预估与筛选是行之有效的。建立了水轮机固定导叶与活动导叶相对安放位置的关系式。得到了在清水和含沙水条件下两种活动导叶与固定导叶的最佳相对安放位置和流场的不同特性。     

叶栅内非定常流动特性的频谱分析

采用数值模拟方法研究了静叶尾迹的非定常流动特性,通过改变动叶与静叶之间的轴向间距和动叶的转速,结合不同工况下的等熵图,利用傅里叶变换(FFT)对动叶升力系数和阻力系数进行了频谱变换,并分析了其频谱特性与动静叶间轴向间距和动叶转速之间的关系.结果表明:随着轴向间距的增大,尾迹涡脱落频率变化不大,但功率谱密度变化较大,引起下游叶栅通道熵值增大,导致下游动叶周围能量损失增加;转速的增大使尾迹涡脱落频率增加,功率谱密度变大,同时下游叶栅通道熵值也逐渐增大,表明尾迹涡带来动叶周围更大的能量损失.