多泥沙高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损数值研究与试验

为研究新疆夏特高水头水电站水轮机导叶的泥沙磨损情况,采用标准k-ε湍流模型和Particle模型,在小流量工况下开展了HLA351-LJ-275水轮机导叶流体域的固液两相流数值模拟,分析其内部流动特性,并结合该模型水轮机单流道泥沙磨损试验得到导叶磨损的主要部位和磨损程度。结果表明:固定导叶磨损量较小,活动导叶磨损部位主要集中在头部和尾部,磨损量较大。结合数值计算与试验结果,通过其泥沙磨损特征规律,拟合并建立了固定导叶及活动导叶的磨损量公式,对多泥沙高水头水电站导水机构磨损寿命的预估和导水机构运行维护具有重要意义。     

导叶开度对混流式水轮机转轮内部流态的影响

基于数值模拟方法,以梯级水光蓄互补联合发电系统示范工程中的猛固桥电站混流式水轮机为研究对象,对水轮机在不同特征水头、不同导叶开度工况下转轮叶片表面受力及流道内流场特性进行研究,分析导叶开度改变对水轮机转轮内流态的影响规律。结果表明：导叶开度对于混流式转轮进口流态的影响较大,导叶开度越小入流速度波动程度越大,来流对叶片头部冲击越大,在进口处产生严重的冲击损失;随导叶开度减小,转轮叶片表面等压线与进口边夹角增大,在上冠交接区域产生小三角区低压,使转轮流道出口更易产生空化损失。     

基于CFD混流式水轮机减压板结构形式研究

为研究减压板结构对混流式水轮机转轮上冠流道的影响,以红山嘴一级水电站#4水轮机为例,基于CFD商用软件,数值模拟额定工况下水轮机泵板装置,以排水管压力为指标验证模型的准确性,并优化减压板半径及高度,分别从泄漏水流态、主轴密封真空度、顶盖排水管压力三方面进行对比分析。结果表明,改变减压板高度较改变半径对流道内部影响更大;随着减压板高度减小或半径增大,主轴密封真空度增大且顶盖排水管压力减小;不同减压板结构上冠流道流态不尽相同。该水轮机在减压板半径不变的基础上向上移动15mm为最佳方案,实际工程可通过减小减压板高度来提高主轴密封性能。     

高水头电站水轮机沙水流动特性的数值研究

研究泥沙磨损有助于降低水轮机磨损,延长水轮机使用寿命。运用Partical两相流模型对高水头多泥沙电站的水轮机全流道内部沙水两相流动进行数值计算,并分别分析转轮进口沿叶高20%、50%、80%流面的流动特性。计算结果表明,压力从固定导叶进口到转轮出口圆周方向的周向性较好,分布合理,最低压力高于空化压力。活动导叶上泥沙相体积分数最高在导叶头部位置,尾部泥沙相体积分数也较高,导叶靠近头部处和导叶尾部泥沙速度最大。转轮叶片各叶高流面泥沙相体积分数均在叶片工作面尾部达到最大,叶片头部和尾部位置泥沙速度均较高。研究结果对水轮机选材、关键磨损部位的预测及防护方案具有指导意义。     

基于CFD的轴流泵后置导叶水力性能分析

为了解轴流泵后置导叶的水力性能,基于RNG湍流模型,采用计算流体动力学CFD软件Fluent,应用SIMPLIEC算法对轴流泵模型装置全流道进行了数值模拟,分析了四种不同流量下导叶体的内部流动特性,研究了导叶的水力性能。结果表明,导叶的水力损失随流量的增加先减小后增大;在设计流量处导叶水力损失最小,导叶压力转换能力最好;小流量下叶轮进出口处水流流态紊乱,导叶流道内出现漩涡回流,是导致导叶水力损失较大的主要原因;大流量下叶轮出口水流轴向速度较大,水流导叶进口边撞击将导致导叶体水力损失增加,水力性能下降。     

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.     

水力机械的轴向与径向水推力引发的故障问题与诊断

本文介绍了水力机械运行中常见的轴向与径向水推力.目前水推力的测量与调节难度比较大,行业给予的重视程度还不够;对于机组轴向水推力的研究相对较多,而对于径向水推力的研究较少且径向水推力的测量技术也存在着一定的滞后性.本文结合对实际工程的故障诊断案例,对高水头混流式水轮机、双吸离心泵、立式轴流泵由于水推力产生的抬机、扫膛、偏磨等问题的诊断检测与处理进行了分析,提出了传统在转轮上开设平衡孔的方法无法对轴向力进行调节还会将水压力脉动传至顶盖,不利于机组稳定运行;还指出了双蜗壳设计有利于降低无导叶的蜗壳式离心泵的径向水推力等.本文还对水力机械轴向力、径向力检测分析方法进行了论述,提出了对水力机械水推力改善和调节的一些想法.     

活动导叶头部圆半径对水泵水轮机飞逸特性的影响研究

以中国某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机为研究对象,通过改进活动导叶头部圆半径r,基于Realizable k-ε湍流模型,分析改进活动导叶头部圆半径r对水泵水轮机飞逸特性的影响,充分发挥水泵水轮机在抽水蓄能中的核心作用。结果表明：减小头部圆半径r至(r-0.313) mm,对机组“S”特性存在较佳的改善效果;飞逸工况下无叶区的高速水环逐渐减弱。流体由活动导叶进入转轮叶片流道的过程中,流体的速度由活动导叶出口附近逐渐增大,受高速水环的影响,在无叶区达到最大,随后速度逐渐减小进入转轮,保持在某个较大速度持续流动;飞逸工况下1～5流道转轮叶片进口端旋涡沿着流道逐渐扁平且向转轮叶片后移扩散。转轮叶片进口端旋涡附近压强变化整体呈下降趋势,在叶片进口端出现峰值,转轮叶片进口端旋涡附近压强大小随旋涡位移以及强度而变化;飞逸工况下尾水管的直锥管段分布着大量涡带,且涡带沿着弯肘段逐渐后移到扩散段。回流主要集中在尾水管扩散段边壁附近,在距离转轮中轴线300～500 mm处,回流逐渐减少。     

水泵水轮机导叶动态水力矩特性分析

采用SST k-ω湍流模型对某高水头水泵水轮机进行全流道三维非定常数值模拟,分别对在水轮机工况和水泵工况运行下的导叶动态力矩特性进行分析。结果表明:在水轮机工况下,随着流量的增大,不同位置处导叶的动态水力矩变化规律一致,力矩值由正值变为负值,力矩脉动频率与转轮叶片数相关,流量越大,叶频影响越显著;在水泵工况下,最高扬程工况时导叶水力矩脉动频率主频为转频且脉动幅值较大,而最低扬程工况下导叶水力矩脉动主频为叶频,力矩脉动幅值较小。     

黄登水电站水轮机转轮上冠泵板对顶盖取水的影响

针对不同上冠斜置泵板结构方案影响黄登水电站机组顶盖取水的问题,基于计算流体动力学(CFD)和工程流体力学的基本理论,以商用CFD分析软件为平台,从顶盖取水口压力、上冠轴向水推力和泵板能耗的角度,分析了辐射径向布置泵板及泵板逆转轮旋转方向斜置30°、45°三种方案7种工况下的上冠流道内部流动特性。结果表明,斜置45°的泵板结构能获得最大的取水压力且产生的上冠轴向水推力最小,斜置30°的泵板结构能耗最低,在顶盖取水系统设计中应根据水轮机运行工况范围特点选择不同的泵板结构。     

高负荷风扇末级静叶气动特性试验研究

为了研究高负荷风扇末级静叶的气动性能,通过在静子叶栅前加装导流叶片,来模拟多级风扇中动叶出口气流参数,通过旋转导叶改变静叶进口气流角,分析不同进口气流角和进口马赫数条件下的静叶气动特性。研究表明:本研究设计的导流叶片可以为静叶提供接近动叶出口条件的来流参数,从而开展静叶试验研究。该静叶为大折转角扩压叶栅,随马赫数增加,总压恢复系数减小。随转角增大,静叶压力面流动随导叶转角增加明显改善,分离范围减小;吸力面存在较大范围的分离,转角增加对分离范围影响不大。     

基于Partical模型的固液两相流贯流式水轮机流场数值模拟

为了研究灯泡贯流式水轮机在固液两相流动下过流部件的磨损程度,以某水电站实际运行的水轮机为研究对象,基于Particle模型和非均相模型,对水轮机内部流场进行数值模拟。分析了体积分数为1%,泥沙粒径为0.01、0.05、0.10和0.25 mm时,过流部件工作面和背面的固体颗粒相的滑移速度及固相体积分数。结果表明:随着颗粒粒径的增大,桨叶上固体颗粒相的滑移速度减小、导叶上滑移速度增大;在浆叶进水边和轮缘,导叶的进水边和轮毂处固体颗粒相的体积分数较大,磨损较为严重,与现场真机照片磨损位置相同,说明采用Particle模型和非均相模型能准确地模拟固液两相流水轮机内的流动规律。     

低比转速混流式水轮机流动噪声数值模拟

为预测低比转速混流式水轮机的主要流动噪声,采用重整化群RNGκ-ε模型和FW-H模型,计算了不同导叶与转轮叶片径向间距时水轮机导叶与转轮壁面上压力脉动构成的偶极子声源产生的流动噪声,分析了导叶与转轮叶片径向间距对水轮机压力脉动及噪声特性的影响,以及压力脉动与流动噪声之间的关系。结果表明,导叶末端和转轮叶片进口背面压力脉动最剧烈,是主要的偶极子噪声源,压力脉动和流动噪声的离散噪声在叶频及其谐频处出现峰值;随导叶与转轮叶片径向间距增大,压力脉动幅值减小,流动噪声减小,因此适当增大水轮机导叶与转轮叶片径向间距是一种有效降低流动噪声的途径。     

某大型抽水蓄能电站水泵水轮机转轮强度及模态分析

抽水蓄能电站中由于机组工况转换频繁、正反转运行,因此对于水泵水轮机转轮结构强度及性能具有较常规机组更高的要求。本文以国内某大型抽水蓄能电站转轮为研究对象,建立了水轮机全流道三维模型,并基于ANSYS Workbench平台对不同工况下的水泵水轮机转轮进行了单向流固耦合计算,得到水轮机工况及水泵工况下转轮的静应力分布及分布情况,并展开两种运行工况下转轮的模态分析。计算结果表明：机组在相同水头的水轮机工况下运行时,随着导叶开度的增大,转轮的最大静应力及位移均呈现减小趋势;但水轮机工况与水泵工况下,叶片的最大静应力普遍发生于叶片外缘,可采取适当加厚、检查圆滑过渡等措施予以预防和避免应力集中。通过模态分析,发现转轮流固耦合第一阶振动固有频率与导叶出口的不均匀流脉动频率接近,需调整转轮固有频率以避免共振现象的发生。     

变几何涡轮动叶栅流场的PIV实验研究

对某变几何涡轮在不同导叶转角工况下进行了内流场PIV实验研究,获得了动叶叶栅流道及其下游区域详细的流场及涡量场数据,并对其进行了对比分析.结果表明:导叶转角从6°转到-6°的过程中,叶轮出口截面最大速度增加约11%,叶轮流道内部最大绝对速度增加约40.6%,气流角度单调变化,叶轮输出功率在这一过程中增加了42%;但随着导叶转角的减小,下游动叶流道的流动损失有所增加.     

水泵水轮机甩负荷瞬态过程叶间流场分析

为研究甩负荷过渡过程水泵水轮机内流场特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为例,采用网格壁面滑移技术与DES湍流模型对机组甩负荷过程进行三维瞬态数值模拟,基于湍动能、压力等信号提取叶间流场演变特征。结果表明,后1/3导叶域及其后流道内压力脉动剧烈,50%导叶关闭后,无叶区内形成带圆周速度的水环阻碍水流进入转轮;66.7%导叶关闭后,转轮叶间流道内出现涡旋,在较大压力梯度作用下旋转失速涡带扩散加剧流动分离,阻塞转轮流道。甩负荷过程尾水管内先充满与转轮同向的旋流,紧接着靠近内壁侧出现空腔且外壁侧旋流量减小,然后内壁侧出现与外壁侧旋向相反的回流。研究结果为良好运行性能的机组设计奠定了基础。     

水泵水轮机转轮加装短叶片前后的流动特性对比

为对比高水头水泵水轮机的转轮加装短叶片前后的能量特性及流动特性,基于SST湍流模型,选取4个具有代表性的水泵及水轮机工况,对有/无短叶片的水泵水轮机进行全流道三维定常计算。数值模拟结果表明,以水泵运行时加装短叶片可抑制脱流与漩涡等二次流现象,降低单个叶片承受的水力载荷,提高转轮进出口、导叶区及蜗壳静压,使泵获得更高的扬程。水轮机运行时添加短叶片可减小转轮出口环量,改善在尾水管内形成的复杂漩涡流,提高其水力效率。相同边界条件下,长短叶片转轮改善了转轮区的流动条件,从而提升了机组的能量特性及水力稳定性。     

高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损试验研究

对高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损进行了试验研究与数值模拟计算,获得了常用于水轮机活动导叶S135和ZG06Cr13Ni5Mo材料,以及用于固定导叶1Cr18N9Ti和Q345的泥沙磨损规律,拟合出泥沙磨损率计算公式。结果表明:泥沙绕流速度比泥沙质量浓度对磨损率的影响高2个数量级,导叶吸力面磨损相对于压力面较严重,导叶头部和尾部出现明显纹路、斑点和缺口,用于活动导叶的S135材料和用于固定导叶的1Cr18N9Ti材料的耐磨性较好。     

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。     

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。