运行工况对多沙河流水轮机导叶区磨损影响研究

多沙河流上具有调峰功能的水轮发电机组运行工况转换非常频繁,水轮机经常偏离最优工况运行,导致活动导叶磨损破坏严重。为揭示运行工况对水轮机活动导叶区域固液两相流动规律的影响,建立了黄河某多沙电站原型水轮机全流道三维水体模型,采用欧拉-欧拉两相流模型和RNG k-ε湍流模型对水轮机不同出力工况进行了固液两相流数值模拟计算,对不同运行工况下导叶区域的压力、流速、含沙量等进行了分析。结果表明：含沙水流会使导叶区域最小压力减小,从而增加空化发生机率;出力工况对导叶区固液两相流动影响较大,随着水轮机出力减小,导叶区最大流速反而增大,活动导叶迎水面与背水面的速度差也逐渐增大,小出力工况下,座环靠近鼻端位置高泥沙浓度区域扩散变大,活动导叶表面泥沙浓度由顶端至底部逐渐增加,活动导叶头部位置泥沙浓度最高。研究结果能够为预测多沙河流水轮机活动导叶易磨损位置和研究抗磨蚀对策提供技术支撑。     

襟翼长度对混流式水轮机空化性能的影响

为了研究襟翼结构尺寸对水轮机空化性能的影响,以HLX180-LJ-145混流式水轮机为原型,应用UG建立在原型转轮进口靠近下环处两叶片中间位置增加襟翼结构的加襟翼转轮模型为研究对象,利用ANSYS CFX软件对0.8Q_d小流量和1.0Q_d设计流量工况点清水和含沙水介质下的转轮空化现象进行数值分析,分别采用长度在60 mm、80 mm和100 mm的3种襟翼,对比两种流量工况下加入襟翼前后混流式水轮机转轮内部流动形态,研究襟翼长度对水轮机空化性能的影响。结果表明：转轮叶片吸力面靠近转轮出口处易产生空化,增加襟翼后,转轮内总受压面积增大,空泡体积分数减小,转轮进口来流得到充分分流,带襟翼转轮过流通道的叶栅稠密度增加,叶片表面流动分离延迟,水流流线变得顺畅,水流流态变好,含沙水对转轮的磨蚀冲击减弱,空化性能得到明显的改善。该研究对不同水流介质下的水轮机改造设计与优化具有一定的参考作用。     

水沙分离效应的应用探讨

以黄河为代表的高含沙河流上的电站汛期时泥沙浓度极高,运行时造成水轮机过流部件产生严重磨蚀,一些电站汛期被迫停止发电。水工设计中采用的沉砂池和排砂底孔对水流中的推移质在电站进水口形成排沙漏斗,对减轻过机沙量,减轻水轮机泥沙磨损起到了一定作用,但仍有大量的悬移质泥沙进入水轮机。含沙水流流经蜗壳流道时在离心力作用下,水流中的悬移质向靠近蜗壳外侧下部运动。本文提出一种新的排沙思路,与业内人士共同探讨该方法的可行性。     

混流式水轮机轴向水推力随工况和含沙水参数的变化

混流式水轮发电机组在发电排沙时容易因轴向水推力过大发生推力轴瓦烧损事故.基于CFD仿真分析某过流泥沙含量较大的水轮机的轴向水推力.建立水轮机主流道、上冠流道和下环流道的仿真模型,在ANSYS FLUNET中采用雷诺时均N-S方法(RANS)求解各流道含沙水的稳态湍流流场,其中含沙水流通过MIXTURE多相流模型模拟,湍...     

中小型混流式水轮机的磨蚀与治理

混流式水轮机在含沙水流中运行时，常遭受泥沙磨损和气蚀的破坏。近年来在一些中小型水电站对混流式水轮机的易磨蚀部件进行了修复、修型、改型等抗磨蚀方面的实践。通过综合治理，使水轮机出力增加，抗磨蚀性能提高。     

混流式水轮机导水机构损伤三维数值模拟分析

为了分析和预测混流式机组导水机构在运行中出现的损伤,结合华能瑞丽江一级水电站机组的设计参数及运行实例,利用CFD软件,采用雷诺时均Navier-Stokes控制方程、S-A湍流模型和SIMPLC算法,对额定运行工况下的混流式机组导水机构进行三维数值模拟,分析导水机构内部流速场、压力场分布情况。数值模拟结果显示,蜗壳引水区流态良好,活动导叶区流态紊乱,出口边存在较大尺度脱流现象,压力分布不均匀,背水面偏心小圆面处出现负压区,存在空化现象,能量损失较为严重。水电站导水机构实际运行情况与数值模拟结果基本吻合,证明了数值模拟方法的有效性。根据导水机构损伤情况提出了相应的修复建议。     

虹吸式轴流泵装置固液两相流数值模拟

为研究轴流泵输送含沙水流时的工作性能,基于Euler多相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对轴流泵装置内固液两相流动进行数值模拟。重点分析了0.8、1.0和1.2倍设计流量条件下轴流泵装置在含沙工况和清水工况的能量性能和流态差别。同时,进一步探究了不同固相颗粒直径和浓度对装置内部固液两相流动的影响规律。结果表明:同一流量条件下,含沙工况下的泵装置效率和扬程都比清水工况低,且导叶体和出水流道流态较清水工况差;随着固相颗粒直径的增加,叶轮叶片壁面处颗粒体积分数逐渐增大,且颗粒体积分布均匀性越差,固相颗粒主要集中于叶片压力面进口处及吸力面靠近轮缘处;而随着颗粒浓度的增大,叶片表面及导叶表面固相颗粒分布的均匀度变差,固相颗粒主要分布于靠近叶片压力面进口处、吸力面靠近轮缘处,导叶处流态变差。研究结果可为轴流泵装置的优化设计提供一定参考。     

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。     

混流式水轮机固定导叶和动导叶准的三元流动计算

采用 S1、S2两类相对流面理论的准三元流动计算方法,研究了混流式水轮机固定导叶和动导叶的流场。在 S1流面上建立势函数方程,S2流面上建立流函数方程,通过两个流面的叠代计算得到该流场的流动状态。这一成果可以用来分析混流式水轮机座环和导水机构区域的水流情况。     

水轮机转轮内部泥沙浓度的数值分析

采用ANSYS CFX 14.0软件对某电站混流式水轮机转轮内部固液两相流动进行了数值模拟,着重分析了转轮内部泥沙浓度分布。研究结果表明,在叶片表面上不同的位置,泥沙浓度分布是不同的,浓度较高的地方位于叶片进水边靠近上冠和下环处、下环内表面和叶片出水边靠近下环内表面处。对含沙河流中水轮机转轮叶片遭受严重磨蚀破坏情况的分析和水轮机的耐磨设计具有重要的指导作用。     

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。     

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。     

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。     

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...     

高含沙水流脉动特性试验研究

以某工程的表孔为依托,建立1∶100单体模型。通过配置不同含沙量的水流,对水垫塘底板含沙水流的脉动压强进行试验。结果表明,在试验范围内,水流条件不同,含沙量对脉动强度的影响不同:水流条件较强时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先减小后又增大的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最多减小24.73%;水流条件较弱时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先增大后减小的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最大增加78.74%。冲击区含沙水流脉动压力分布比清水更接近正态分布,脉动压力能量大部分集中在0.4 Hz以内,功率谱无明显的优势频率,水流主要以低频大尺度漩涡为主。通过对高含沙水流水垫塘底板的脉动压强进行观测,总结分析了不同因素影响下高含沙水流脉动压强特性的变化规律,为相关工程提供参考。     

基于ANSYS水电机组过流场特性分析

水流在水轮机内部的流动是一种扭曲、复杂的空间运动,且由于实际运行中的各种因素影响,往往会产生空化空蚀、压力脉动等现象,严重影响机组的安全稳定运行。应用ANSYS软件建立机组全流道三维几何模型,并进行网格划分。采用Fluent 17.0软件,对某电站机组进行数值模拟计算,分析蜗壳、导叶、转轮及尾水管等过流部件内部压力场、速度场的分布规律,与理论分析情况相符。作为水轮机优化设计辅助手段,该方法可预估水轮机内部的流动规律。     

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。     

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。     

高含沙水流作用下水垫塘底板上举力特性试验

针对高含沙水流对水垫塘底板上举力特性的影响,通过模型试验,研究了不同含沙量下底板上举力的分布规律、幅值特性和频谱特性。结果表明:含沙水流作用下的上举力沿程分布规律与清水时相同;各流速下上举力时均值均随含沙量的增大而增大,且基本呈线性函数关系,斜率在0.17～0.22之间;上举力标准差随含沙量的增大先增大后减小,在含沙量为183 kg/m~3时出现峰值;上举力的脉动在0～3 Hz的低频范围内,与清水相比,水流含沙后功率谱的频带宽度增加,高频域内的功率谱密度值有所增加;水流的时间积分尺度随着含沙量的增大呈先增大后减小的趋势。