水轮机导叶区固液两相流动数值研究

为了揭示泥沙介质在水轮机导叶区的流动及分布规律,本文应用固液两流体多相流模型,充分考虑固液两相间的相互作用,通过求解雷诺时均N-S方程和RNG k??方程,对不同泥沙介质条件下水轮机导叶区的流动进行数值研究。研究结果表明,导叶表面压力随着来流泥沙含量的增大逐渐增加,随来流泥沙粒径的增大变化很小;小粒径泥沙在导叶表面分布均匀且含量低,大粒径泥沙会集中分布在导叶前缘高压区。     

泥沙直径和浓度对混流式水轮机转轮内流场的影响

为了初步研究泥沙直径和浓度对混流式水轮机转轮内部流场与性能的影响,本文采用固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行全流道数值模拟,通过控制变量法研究不同来流泥沙直径和浓度对转轮叶片表面泥沙分布、平均压力和水轮机效率的影响。结果表明:含沙水较清水会不同程度使叶片表面水压力载荷增加,效率下降,在相同工况下转轮叶片进水边和出水边与下环连接处泥沙浓度较高;随着泥沙直径的增加,泥沙分布更加集中,磨损加剧。该研究可为含沙水流中运行的水轮机转轮设计提供参考。     

多泥沙电站高水头低出力水轮机水力设计策略

在多泥沙河流运行的水轮机,经常受到严重的泥沙磨损危害,机组的检修周期及运行寿命普遍较低。特别是对于高水头低出力要求的水轮机,机组磨损情况往往更为严重。为提高机组的抗磨损性能,水力设计阶段需专门考虑降低流道流速进而提高抗磨损性能的方法。本文以木扎提河三级水电站小水轮机的设计为例,综合考虑易磨损部位的相对流速及机组水力性能,确定了适用于高水头小流量多泥沙电站的水轮机水力设计策略。研究表明常规降低转速的方法对转轮及导叶出口流速、密封间隙内流动均有显著影响,转速降低的程度应通过流场对比分析合理确定。在高水头电站导叶尾部磨损更为严重,通过采取增大分度圆、优化导叶翼型及相对位置等可有效降低导叶后相对流速。采用长短叶片转轮,可大大降低转轮内部流速,提高在高含沙条件下机组的抗磨损性能,提升水轮机的运行稳定性及安全使用寿命。本文的研究可为多泥沙电站的水轮机设计策略提供有效参考。     

泥沙直径和浓度对水斗式水轮机转轮的磨损特性

含沙水流会对高水头水斗式水轮机转轮造成磨损,影响机组检修和高效安全运行。文采用流体体积模型(volume of fluid,VOF)、SST k-w湍流模型和离散相模型(discrete phase model,DPM)对含沙水流进行了固–液–气三相非定常数值模拟,研究了泥沙颗粒的直径、浓度与斗叶内表面磨损量、磨损位置的关系。研究表明:随着射流能量的传递,水膜的高压力区逐渐从缺口后移到斗叶根部;分水刃和缺口位置是最容易受到泥沙磨损的部位,与现场电站转轮水斗磨损位置一致;泥沙直径、浓度的增加与磨损率呈正相关;小颗粒泥沙更易对靠近斗叶根部的出水边造成磨损,而大颗粒泥沙更易对靠近分水刃的进水边造成磨损。本文研究的目的是为水斗式水轮机的制造加工、维护检修提供一定的理论基础。     

白鹤滩电站水轮机泥沙磨损评估研究

为预估白鹤滩电站水轮机的泥沙磨损,为水轮机选材、大修及防护方案的制定提供数据支撑,本文利用水力机械磨蚀测试系统中的旋转圆盘磨蚀测试工位,根据白鹤滩电站的过机泥沙条件及过流部件过流条件,对相应泥沙和过流条件下过流部件备选材料的磨损规律及磨损性能进行了实验研究。通过试验研究获得不同含沙浓度、过流速度磨损条件下不同材料表面的磨损深度,并通过多元线性回归法拟合试验数据获得不同材料的磨损率公式。利用磨损率公式及磨损率-粒径关系式,对一定运行时间范围内真机主要过流部件转轮及导叶区的磨损深度进行了预估,结果表明磨损较严重的部位为活动导叶下端面及转轮叶片出口靠近下环处。机组运行10年后,水轮机上述区域的磨损量分别为2.66 mm、1.75 mm。依据国家标准《反击式水轮机磨损技术导则》,两个过流区域的磨损量均较小,对机组正常运行影响较小,满足10年大修周期要求。     

混流式水轮机导叶相对位置对其水力性能的影响

含沙水中水轮机的水力性能受多种因素影响,本文采用RNG k-ε湍流模型,对竖轴混流式水轮机三维全流道导水机构内部流动迚行了数值模拟。适当选取若干种导叶开度,通过数值模拟得到了不同导叶开度、固定导叶与活动导叶周向不同相对位置下,导水机构内部流场的压力分布、速度分布以及能量损失。计算结果表明固定导叶与活动导叶的周向位置对水流的流态的影响,活动导叶头部的内侧更容易受到冲击破坏,合理地匹配它们的位置关系可以较大地减少水力损失。确定固定导叶与活动导叶在不同开度下最优匹配角,导叶开度及相对位置对水轮机水力性能联合影响关系。     

水轮机转轮泥沙磨损的数值模拟

本文利用κ－ε－Ａｐ两组湍流模型计算水轮机转轮中泥沙固液两相湍流。根据液相和固相三维流速场的计算结果数值模拟了转轮叶片面的泥沙磨损。     

超低水头两叶片灯泡贯流式水轮机固液两相流研究

超低水头贯流式机组无论在电站增容改造方面,还是在超低水头开发方面,都具有巨大潜力。然而,水流中裹挟的泥沙会对机组运行产生不利影响,在汛期尤为严重,研究泥沙磨损问题对于机组的稳定运行具有重要意义。基于CFX平台,使用k-ε湍流模型,拉格朗日颗粒跟踪模型和Tabakoff and Grant磨损模型对2.1m超低水头下的两叶片灯泡贯流式水轮机进行了固液两相流数值模拟计算。通过实验验证数模计算的可靠性,对比单相及两相流工况下的涡流特性,探究不同泥沙浓度(Cv=1%～10%)、颗粒直径(D=0.1～1mm)对过流部件磨损位置、侵蚀率以及流动特性的影响。结论如下：在清水中加入泥沙颗粒后,泥沙颗粒对旋涡有增强作用;导叶凹面,叶片正面进水侧头部、叶片出水边、叶片轮缘,以及转轮室都是比较容易遭受磨损的部位;随着泥沙颗粒浓度、直径的增加,导叶、叶片及转轮室的磨损面积、磨损程度以及最大磨损率都呈上升趋势;相较于导叶,叶片和转轮室的磨损程度更为严重,在汛期运行时要更加注重磨损防护。     

水轮机转轮三维泥沙流动两相紊流计算

推导了水轮机转轮中两相流的两流体基本方程,并利用κ－ε－Ａｐ两相的湍流模型计算水轮机转轮中三维泥沙固液两相湍流。计算结果包括了液相和固相的主要流动特征。     

低比转速水轮机活动导叶固液两相数值模拟研究

低比速混流式水轮机导叶出口处的最大流速可达50~56 m/s,甚至更高,造成该区域的磨蚀较转轮严重,因此有必要对低比转速混流式水轮机的导水机构进行研究。依托某多泥沙水电站低比转速水轮机的实际资料,建立由蜗壳、座环及导水机构组成的三维实体模型,分别对典型工况进行固液两相流数值模拟,探讨固液两相流计算在低比转速水轮机导水机构设计中的应用,共进行了两组模拟,一组为不同工况,相同粒径,一组为相同工况,不同粒径。根据计算结果对磨蚀的原因进行了分析,对导水机构的磨蚀部位进行了预估,与真机实际情况进行了对比分析。为今后的水轮机设计生产提供参考,以及为电站运行工况的选择提供依据。     

高水头混流式水轮机转轮泥沙磨损特性模拟研究

泥沙磨损是导致混流式水轮机组失效的主要原因之一,特别在水头相对较高时,由于内部流速相对也较高,其磨损问题会更为严重。为研究混流式机组转轮磨损的形成机理,本文根据电站泥沙实测数据统计得到汛期的泥沙平均浓度和粒径,对高水头混流式水轮机在最优开度和小开度两种工况下的固液两相流特性进行数值计算,基于拉格朗日方法模拟颗粒的运动轨迹,选取Oka模型对转轮的磨损特性进行了预测。通过分析转轮内的流动特性、颗粒的运动轨迹和壁面冲击特性,对混流式机组转轮磨损形态的形成原因进行了探讨,并将计算结果与文献中的实际磨损情况进行对比分析。预测的结果表明：采用欧拉-拉格朗日方法可较好地对混流式水轮机转轮的主要磨损区域进行定性的预测;在小导叶开度的偏工况时,转轮内部的涡旋流特性会导致颗粒产生局部富集等现象,从而引起对应区域磨损速率的增加。     

渔子溪二级电站17-4PH铸造导叶及锻造抗磨板的性能和应用

渔子溪电站由于高速泥沙水流的磨蚀作用使水轮机导叶及抗磨板快速破坏。17-4PH钢是水轮机抗磨蚀的理想材料,用此材料已为渔子溪二级电站制成了铸造导叶及锻造抗磨板.使这些零件的破坏速度相应减慢。     

含沙水流对水轮机导叶部件磨损的数值模拟

建立了低浓度固液两相流（平均固体容积浓度Ｃｖ〈１％，即对于沙水，含沙量低于２０ｋｇ／ｍ＾３）Ｅｕｌｅｒｉａｎ－Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ混合湍流模型。给出了颗粒－壁面碰撞模型和为韧性金属材质的水轮机过流部件的磨损模型。利用这些模型可数值模拟水轮机中含沙水流的流动、沙粒在水轮机过流通道内的浓度分布、运动轨迹及水轮机中含沙水流的流动、沙粒在水轮机过流通道内的浓度分布、运动轨迹及水轮机过流部件的磨损率。本文模     

贯流式机组桨叶与导叶全三维联合设计

为了充分反映水流经过导叶后的流态对桨叶入流的影响,本文建立了灯泡贯流式机组桨叶和导叶的全三维联合反问题计算模型。在包括桨叶和导叶的计算域中,求解联立的控制方程,同时设计得到了导叶和桨叶的空间叶型。采用联合设计和单独设计模型分别设计了一低水头贯流式机组的桨叶和导叶,并在设计工况下对其进行了全流道湍流数值模拟。性能预估结果表明,与单独设计相比,联合设计的桨叶进口边附近压力分布得到改善,导叶和桨叶段的联合损失减小,转轮效率提高。     

水泵水轮机开机过程水力特性研究

抽水蓄能电站水泵水轮机组在开机过程中产生剧烈的压力波动,转轮内复杂流动和压力脉动是引起固定部件强烈振动的主要原因之一。因此,需要对水泵水轮机开机过程的物理机理进行深入研究。本文同时建立了厦门抽水蓄能电站管路系统的一维特征线水力模型及水泵水轮机组过水流道的三维流场计算模型,开展了机组发电开机过程一维三维耦合的数值计算,重点分析了机组开机过程瞬时流动特点,以及转轮径向力和轴向力变化与外特性的内在关联性。研究发现,机组开机至空载状态时,由于导叶开度小、转速上升快,在无叶区形成了速率很高的水环,同时转轮流道内充斥着大量复杂的漩涡结构,导致了流量与转矩的突降。导叶动作、转速对径向力、轴向力的变化规律有直接的影响,开机过程中转轮径向力的变化趋势与活动导叶动作过程基本一致。轴向力的变化趋势与机组转速变化基本一致,转速和轴向水推力数值总体上为逐渐增大的趋势。本文研究结论为抽水蓄能机组和高水头混流式水轮机的开机过程物理机理和规律提供了有价值的参考。     

泥沙颗粒级配对高速水流空化空蚀的影响

在小型循环式水洞中试验研究了非黏性沙颗粒级配对高速水流空化空蚀的影响。首先,在循环式水洞内筒中配制8种泥沙小于某粒径不同重量百分比（P < 2%、12%、33%、47%、56%、70%、86%、100%）的挟沙水样,用红外测沙仪测定了挟沙水样的含沙量。利用压力数据采集系统实时量测了泥沙小于某粒径不同重量百分比P下水洞工作段（空化区、空蚀区）的压力;其次,试验采用不同强度混凝土试件,在相同含沙量S、小于某粒径不同重量百分比P的工况下,进行历时4 h的空蚀破坏试验。试验结果表明：在含沙量S = 12 kg/m3,喉部流速V = 38.6 m/s条件下,空化区测点压力随小于某粒径重量百分比P的增大而降低,促进了空化的发生;空蚀区测点压力则随小于某粒径重量百分比P的增大而升高,增强了空蚀的强度;混凝土试件强度相同时,混凝土试件的空蚀量随泥沙小于某粒径重量百分比的增大而增加;保持含沙量S和小于某粒径重量百分比P不变,高强度（fcu = 17.8 MPa）混凝土试件的抗空蚀能力明显比低强度（fcu = 13.7 MPa）试件高。     

襟翼高度对混流式水轮机转轮空化特性的影响

空化空蚀作为水轮机运行过程中的常见问题,对水轮机性能以及机组安全稳定运行产生影响。该研究以HLX80-LJ-145混流式水轮机为研究对象,在原始转轮的基础上增加襟翼,利用ANSYS CFX对流量0.6Q_d、0.8Q_d和设计流量Q_d工况点下清水与含沙水的转轮空化现象展开数值分析。结果表明:转轮叶片吸力面靠近转轮出口边出现大面积空化;增加襟翼后转轮进口来流得到分流,水流流态变好,流线顺畅,水流和泥沙流速均减小,空泡体积分数减小,清水介质中流量0.6Q_d工况点减小最为明显,相对减小约16.35%;泥沙对转轮内的破坏减弱,含沙水介质中流量0.6Q_d工况点最大空泡体积分数相对减小约11.34%,空化性能得到改善。     

油膜法及其在水力机械流态显示中的应用

根据油膜法的应用对油膜特性和涂料配方进行了试验研究,给出了两种可用于水力机械内部流态显示的涂料配方。并应用所得配方得到了水轮机导叶端面间隙内的流态油膜图象和离心泵叶轮内的水流相对运动迹线。     

水轮机导叶抗泥沙磨损的水力研究

本文介绍了减轻低比速混流式水轮机导叶泥沙磨损水力型式的物理模拟试验及数值模拟计算的成果；揭示了叶绕流，导叶与转线配水力设计，对泥沙磨损的影响，为较圆满解决该类导叶的泥沙快速损坏提供了新的途径。     

水轮机导对抗泥沙磨损的水力研究

本文介绍了减轻低比速（ｎｓ＝１００ｍ－ｋＷ）混流式水轮机导叶泥沙磨损水力型式的物理模拟试验及数值模拟计算的成果；揭示了导对绕流、导对与转轮互配水力设计，对泥沙磨损的影响，为较圆满解决该类导叶的泥沙快速损坏提供了新的途径。