水泵水轮机水泵断电飞逸过程压力脉动CFD模拟

水泵断电导叶拒动导致机组飞逸是抽水蓄能电站的危险过渡过程,伴随水锤压强、水轮机流态、压力脉动、转轮受力发生剧烈波动,研究中必须综合考虑。由于常规过渡过程模拟只能考虑水锤波动,目前对后面几种特性缺乏了解。本文采用一维输水系统和三维水轮机耦合的CFD模拟方法,针对某模型抽水蓄能系统进行水泵断电飞逸过渡过程模拟。分析了流量、转速、转轮受力的宏观参数变化,发现在鞍形区及水轮机S区波动剧烈;分析了测点压强变化,发现整个过渡过程中压力脉动频率复杂,有高频低幅、高频高幅、中频中幅、低频高幅四类,在鞍形区及S区压力脉动幅值大,正常运行区附近幅值小;结合流态分析,发现高频脉动产生于动静干涉,中低频脉动来源于旋转失速和尾水管涡。     

混流式水轮机飞逸暂态过程的三维非定常湍流数值模拟

根据加速旋转相对坐标系中雷诺时均的连续性方程和Navier-stokes方程,以及转动系统的动量矩方程,推导了水轮机转轮区域的流动控制方程.采用RNGk-ε湍流模型对基于HL220进行改型的混流式水轮机在9种开度下进行飞逸暂态过程的三维非定常数值模拟,着重对尾水管内的流动进行了分析,得到了尾水管中心投影面压力分布随时间的变化情况,以及水轮机内部各测点的压力脉动.     

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。     

混流式水轮机飞逸暂态过程的三维非定常湍流计算Ⅰ

根据加速旋转相对坐标系中雷诺平均的连续性方程和Navier-stokes方程,以及转动系统的动量矩方程,推导了水轮机转轮区域的流动控制方程。在此基础上,对基于HL220进行改型的混流式水轮机进行飞逸暂态过程的三维非定常湍流数值模拟,在最优开度工况下采用RNGk-ε湍流模型对方程组进行了封闭,得到了暂态过程中水轮机体积流量、转轮水力矩、转轮角速度、及水轮机效率随时间的变化曲线。为了更加全面地分析水轮机内部的流动情况,采用RNGk-ε湍流模型进行9种开度工况下的飞逸暂态过程数值模拟,得到各开度下的飞逸过程曲线、水轮机内部流动的变化情况,以及飞逸流量及飞逸转速,并和试验结果进行了比较。结果显示两者吻合良好,表明通过计算可以较为准确地预测出水轮机飞逸过程中各参数随时间的变化情况。     

双向贯流式水轮机工况转换过程流动特性研究

潮汐发电机组在运行过程中工况转换频繁,在转换过程中容易引起事故的发生。为了探究潮汐发电机组在过渡过程中的瞬态特性和流动机理,本文基于格子Boltzmann方法（LBM）,对贯流式水轮机由正向水轮机工况向泄水工况转换及泄水工况向反水泵工况转换这两个过渡过程进行了数值模拟,计算中采用自定义函数控制导叶和桨叶的运动,模拟得到了两种过程中水轮机工作参数的变化规律以及内部的瞬态流动特性。结果表明：当贯流式水轮机从水轮机工况向泄水工况转换时,单位流量随时间逐渐增加,其泄水单位流量约为初始值的2.88倍,与试验测量值吻合良好,证明了本文采用的计算方法是准确可靠的。在转换过程中,由于流态的变化,转轮叶片吸力面出现明显的低压区,容易引起叶片的空化空蚀。同时,转轮受到的径向力会出现明显的周期性波动,容易引起轴系的振动;而在尾水管内部会产生多个湍流涡,由于内部压力的降低会形成螺旋的空腔涡带。     

混流式水轮机飞逸过渡过程的试验与数值模拟

根据加速旋转相对坐标系中雷诺平均的连续性方程和Navier-Stokes方程,以及转动系统的力矩方程,推导了水轮机转轮区域的流动控制方程。在此基础上采用RNG k-ε湍流模型对控制方程组进行封闭,对基于HL220改型的混流式水轮机进行飞逸过渡过程的三维非定常湍流计算,得到了水轮机达到飞逸状态时的单位流量和单位转速,并和试验结果进行了比较,结果显示两者吻合良好。通过对计算数据的进一步分析,得到了单位转速、水力矩随单位流量的变化曲线,以及飞逸曲线。为了进一步了解水轮机内部的流动,重点分析研究了尾水管内的压力脉动,对其引起的涡带发展过程有了一个较为清楚地认识。     

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。     

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。     

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。     

混流式水泵水轮机小开度S特性区内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,严重影响蓄能机组的安全稳定运行,其产生的内在原因和解决方法是目前研究重点。本文以模型水泵水轮机为研究对象,对小导叶开度下的水轮机及反水泵运行的多个工况进行了整体流道的三维数值计算,探讨小导叶开度下S特性区机组内部的三维流动特性。选取了性能曲线在S形区域的不同运行工况点进行内流特性分析,发现在飞逸附近工况导叶和转轮内主要表现为漩涡流;在制动工况活动导叶和转轮间的无叶区内表现为明显的"水环"状流态,仅有少部分水流能流入转轮;反水泵工况的流动则更加复杂,整个流道中均有大量的漩涡流存在。综合S特性区的三维流动特性发现,当机组运行在小流量制动工况时,无叶区内的回流会堵塞通道,造成转轮不能在更高的转速下维持该小流量状态的运行,表现为在特性曲线飞逸点附近开始发生S形的弯折。     

混流式水轮机尾水管压力脉动换算初探

针对混流式水轮机尾水管压力脉动换算问题,本文提出了一种基于零环量单位流量的相对流量和基于叶片出口速度头压力脉动相对幅值来预测原型机尾水管进口压力脉动的方法。首先通过速度三角形进行了理论分析,并以某电站尾水管锥管压力脉动为例,分别在模型水轮机和相似原型机上比较了本文推荐方法与标准推荐方法的优缺点。之后采用该方法对12个电站水轮机模型和相似原型机尾水管压力脉动试验结果进行比较,模型和原型表现很好的相似性。最后在原型机上比较了基于本文方法的预测结果和现场测量结果,两者吻合性较好,证明了该方法的可行性。     

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。     

三峡水轮机的非定常湍流计算及整机压力脉动分析

本文对三峡原型混流式水轮机进行了三维非定常湍流计算，得到了水轮机的非定常流场，预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动。通过与模型试验结果进行比较可以看出，本文提供的计算结果能够准确预测水轮机内的压力脉动。分析结果表明，尾水管内涡带及转轮与活动导叶间的动静干扰是产生压力脉动的两个主要脉动源，并在整个水轮机流道内传播。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮静应力特性分析

近年来，国内外一系列大型水轮发电机组频繁发生转轮叶片投产后短期内出现穿透性裂纹问题，对机组安全稳定运行构成了威胁。长期以来人们一直在寻找由于水力激励引起转轮叶片应力特性的计算方法。本文首先对混流式水轮机全流道内流场进行了多工况的CFD计算，得到不同工况下转轮叶片表面水压力载荷，并利用顺序流固耦合方法对转轮在各种工况下的应力特性进行计算。结果表明在大部分工况下该转轮叶片最大静应力基本上与水轮机功率成线性关系。本文计算结果可为其它水轮机转轮的应力特性分析及转轮疲劳裂纹分析提供参考。     

涡带工况下混流式水轮机转轮动应力特性分析

近年来，国内一些大型混流式转轮出现了不同程度的裂纹问题，对机组安全运行构成了威胁。研究表明，水力激励引起的混流式水轮机转轮叶片动应力是引起叶片疲劳破坏的主要原因之一。文中首先对高水头小负荷的涡带工况下混流式水轮机内流场进行非定常CFD计算，得到涡带工况下叶片表面不同时刻的水压力载荷，并利用流固耦合方法对转轮进行结构场瞬态特性计算，分析转轮叶片的动应力特性。结果表明由于水压力脉动引起的转轮叶片上的振动交变动应力是混流式水轮机疲劳破坏的主要原因之一。计算结果可为其它水轮机转轮的动应力特性分析和疲劳分析提供参考。     

轴流转桨式水轮机空化程度声信号辨识研究

通过空化声信号判断水轮机中的空化程度是水轮机空化检测的方向和难题,为此进行了轴流转桨式水轮机模型转轮空化试验:选择了4个常用桨叶角度,固定桨叶角度和水头,调整尾水位改变空化状态,试验中用频率范围达1MHz的超声传感器测量空化声信号,并对转轮室空化进行录像。通过观察试验闪频录像,把空化严重程度划分为4个典型的级别,以此作为验证声信号辨识算法的判据。在分析试验数据的基础上,提出空化声信号特征矢量分类法,即把采集到的声信号按频段划分,每个频段的方差作为一维,组成空化特征矢量、通过对特征矢量的空间分类来判别轴流转桨式水轮机空化严重程度。用该方法处理所有试验数据,给出与录像观测进行比较的统计结果,表明该方法是可行和有效的。     

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。     

泸定水电站水轮机水力开发

针对泸定电站的具体情况,详细分析了泸定水电站的蜗壳尺寸、尾水管高度、导叶高度、转轮叶片数、导叶分布圆直径等几何参数和比转速、单位流量、单位转速等水力参数的选取方法、原则以及对转轮性能的影响。同时,利用国内外通用的混流式水轮机转轮及过流部件CFD分析技术,对转轮和通流部件的内部流场进行了计算,在对其流速场、压力场进行分析比较的基础上优化出了一套符合电站要求的装置。     

基于模型试验解决某电站满负荷工况异常振动问题

本文介绍了混流式水轮机满负荷工况异常振动的一种处理方法。相比传统的优化泄水锥方案,本文基于模型试验和模型转轮修型以及原型机现场测量对混流式水轮机满负荷工况稳定性迚行研究。通过对比模型及相似原型机尾水管压力脉动幅值,模型和原型在满负荷区域相似性较好,为本方法的使用奠定基础。通过不同方案结果的比较,尾水管压力脉动陡升可能是导致原型机满负荷工况异常振动的一个重要原因,优化转轮叶片出口靠上冠区域的型线是解决该问题的一个重要手段。