长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。     

水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机无叶区压力脉动的幅值和频率特性,总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征,指出了无叶区压力脉动的主频为叶片通过频率。其次,本文应用自由涡环量等于常数原理,通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析,提出了水泵水轮机水轮机工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。     

混流式水轮机内部空化流动数值模拟

为探究不同比例的长短叶片对混流式水轮机内部流场空化特性的影响,基于欧拉-欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,采用RNG k~ε湍流模型以及三维时均N-S方程,对各混流式水轮机进行全流道三维定常空化湍流计算,获得了3种不同比例长短叶片对应的混流式水轮机在各空化系数下空泡相的流动特征以及各水轮机对应的σ~η曲线图。计算结果表明,当长短叶片比例为0.47时,水轮机临界空化系数最小,为0.060 8,相比长短叶片比例为0.6时降低了8.82%;当3种水轮机处于同一空化系数下时,该型水轮机效率最高;随着水轮机转轮短叶片的增多,水轮机的空化性能及能量性能得到了明显的提升。研究结果对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等具有一定的指导意义。     

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。     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。     

混流式水轮机启动状态下转轮与尾水管压力场特征分析

为了研究混流式水轮机在启动过程中产生的水力激振，通过数值模拟方法，研究了非定常流场中转轮与尾水管压力场变化特征，揭示了混流式水轮机在启动过程中压力场幅值和频率的变化与涡绳的发展过程之间的内在关系。结果表明：在启动过程中，转轮内同一个叶片的同一个表面不同位置的点受到的压力变化趋势并不相同，甚至存在相反的情况；叶片表面压力最大压力值出现在靠近叶尖位置，其压力约为平稳运行时的110.9%;最小压力值出现在叶根处，其压力约为平稳运行时的95.8%;且无论混流式水轮机在启动状态下还是最佳效率点，叶片压力面均存在低周的压力脉动；转轮经历静止到最佳效率点的压力波动幅度大约为稳定运行时的一半，而尾水管在启动状态下压力波动幅度与稳定运行时的压力波动基本相当。     

大型水轮机不稳定流体与结构耦合特性研究Ⅱ：结构动应力与疲劳可靠性分析

水轮机疲劳寿命问题直接关系到电站安全和工程效益的发挥。本文以国内某大型水电站安装的混流式水轮机为研究对象,通过引入新的耦合界面模型,实现了不稳定压力场与结构场的耦合特性分析。耦合计算采用有限元方法,得到了转轮在不同工况下的压力脉动载荷的时间历程。通过雨流计数法处理,获得了应力幅值及均值的概率密度函数。依据材料疲劳特性预测了转轮叶片的寿命。文中还分析了X形叶片转轮在运行稳定性方面所具有的特征。所取得的研究结果为大型水轮机的稳定运行和优化设计提供了依据。     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

某混流式水轮机超出力运行可行性分析

为了解某混流式水轮机超出力运行的可行性,借助ANSYS计算平台,分析额定工况及水头超10％出力工况下流场及结构场进行的数值仿真计算,所得尾水管脉动压力、转轮叶片静应力等均满足规范要求;对尾水管锥管段等关键部位压力脉动监测结果也表明,各观测值均满足设计要求,说明水轮机在一定高水头区域超出力运行是可行的.     

混流式水轮机转轮叶片出口水压脉动试验研究

由于混流式水轮机在高水头部分负荷区域运行时内部流态非常复杂,可能会出现叶道涡及尾水管涡带等水力不稳定现象．为了探讨在转轮叶片间存在不同水流状态时叶片出口处的水压脉动情况，专门在JF1055模型水轮机上进行了10个工况、3个测点位置的水压脉动试验研究．试验是在高精度水力机械模型通用试验台上进行的．试验分两步进行，第一步为不带小铜管试验，第二步为带小铜管试验．试验结果表明，紧靠转轮下环叶片出口处的水压脉动幅值约为尾水锥管上常规测点处水压脉动幅值的3～5倍．     

NUMERICAL SIMULATION AND ANALYSIS OF PRESSURE PULSATION IN FRANCIS HYDRAULIC TURBINE WITH AIR ADMISSION

In this article, the three-dimensional unsteady multiphase flow is simulated in the whole passage of Francis hydraulic turbine. The pressure pulsation is predicted and compared with experimental data at positions in the draft tube, in front of runner, guide vanes and at the inlet of the spiral case. The relationship between pressure pulsation in the whole passage and air admission is analyzed. The computational results show: air admission from spindle hole decreases the pressure difference in the horizontal section of draft tube, which in turn decreases the amplitude of low-frequency pressure pulsation in the draft tube; the rotor-stator interaction between the air inlet and the runner increases the blade-frequency pressure pulsation in front of the runner.     

混流式水轮机水力设计技术的研究和应用

混流式水轮机是水电站中应用最广泛的机型,其内部通流部件的水力设计影响整座电站的发电效益和稳定运行。本文介绍了近30年来中国水科院水力机电研究所混流式水轮机水力设计技术的研究和应用情况:在国内率先开展混流式水轮机内部流态观测试验研究,建立了水轮机水力稳定性表征形式;创新提出了叶片环量分布模型、叶片翼型计算方法和叶片积叠成型技术;实现了混流式水轮机"量体裁衣"式定制;提出的"丰枯水期双转轮配置"技术攻克了径流式水电站丰枯水期流量差别大、水轮机难以兼顾运行的技术难题;系统总结归纳了水电站技术改造的解决方案和流程。研究成果成功应用于国内外200余座新建和改造电站,取得了巨大的社会经济效益,极大地推动了行业的技术进步。     

分流叶片对离心泵内部固液两相流的影响

为了研究分流叶片对离心泵内部固液两相流的影响,建立固液两相流模型,对无分流叶片离心泵和3种带分流叶片的离心泵进行全流道非定常数值模拟。重点分析了添加分流叶片对离心泵外特性、叶片表面压力脉动、叶片表面颗粒体积分数分布、叶片表面颗粒滑移速度的影响。分析结果表明:添加分流叶片以后,离心泵的扬程和效率均有显著的提高,叶片表面的颗粒分布更加均匀,叶片表面颗粒的滑移速度有不同程度的下降,使颗粒对叶片表面的磨损程度得以降低;当分流叶片的进口直径为0.65D2时,叶片出水边处的压力脉动幅值最小,减小了离心泵在运行过程中的振动和噪声。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。     

非定常流弯肘型尾水管不规则压力脉动预测

尾水管内螺旋状涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机机组振动的主要原因之一,直接威胁机组的安全运行。为此,提出一种基于CFD数值计算的水轮机尾水管压力脉动数字化预测法,并利用此法对一大型混流式水轮机偏工况下尾水管内水流流动进行了长时间非定常流计算,讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律,预测了尾水管的不规则压力脉动,压力脉动分析结果表明,其波形、频率、相位与实际基本一致。     

用正交法研究短叶片对水轮机空化性能的影响

为了研究短叶片各设计参数对混流式水轮机空化性能的影响,选取短叶片数、长短叶片包角比值以及短叶片周向偏置角3因素,制定了L16(43)正交试验方案,对每个试验方案进行数值模拟,得出影响空化性能的各因素主次顺序;水轮机性能最优情况下,短叶片的最佳参数为:叶片数为11,长短叶片包角比值为0.65,周向偏置角为8°。对最佳配置方案在设计工况点的数值模拟结果分析表明:其空化性能优于该型号常规转轮正常运行时的空化性能。     

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.