三峡原型水轮机的非定常湍流计算和压力脉动分析

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。通过与模型试验预测结果的比较看出，计算能够准确预测水轮机内的压力脉动。分析表明尾水管内涡带和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。     

水泵水轮机极小开度反水泵工况压力脉动与内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,水轮机工况启动时机组常不能由空载直接带负载,容易进入反水泵区,导致机组并网困难。本文以模型水泵水轮机为对象,对极小导叶开度下的多个反水泵工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨极小导叶开度下反水泵区机组的非定常流动特性。数值计算采用SAS SST-CC湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与模型试验数据吻合较好。对流量较小的工况进行非定常计算,旋转转轮9个叶道各8个测点的压力脉动结果显示,相似位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,峰峰值的差异最大达到4.2%,说明此时转轮内的流态分布很不均匀。测点离导叶越近,低频脉动的主频从0.19 fn逐渐增加到1.07 fn;动静干涉引起的20 fn脉动幅度会逐渐增强,但转轮出口位于出流与入流过渡区的测点趋势则不同。结果显示在反水泵工况区运行,转轮各叶道间的流态分布极不对称,充满了严重的流动分离和漩涡。     

尾水管导流栅的减振性能分析

针对尾水涡带的偏心运动对涡带压力脉动形成的影响,通过理论分析,推导了压力脉动力与涡带偏心距之间的关系表达式,同时对某实际模型在安装导流栅前后分别进行了全流道的三维湍流数值模拟,综合比较理论与模拟数据。结果表明,通过安装导流栅能起到限制涡带偏心运动的作用,从而达到降低压力脉动的效果。     

混流式水轮机转轮叶片加厚的数值方法

本文介绍了混流式水轮机转轮水力设计中基于数值计算的叶片加厚方法，此方法的特点是利用计算机来解速度快，精度高。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CHARACTERISTIC FREQUENCY IN UNSTEADY HYDRAULIC BEHAVIOUR OF A LARGE HYDRAULIC TURBINE

The features of unsteady flow such as pressure variation and fluctuation in a large hydraulic turbine usually lead to the instability of operation.This article reports the recent in site investigation concerning the characteristic frequencies in pressure fluctuation,shaft torsional oscillation and structural vibration of a prototype 700 MW Francis turbine unit.The investigation was carried out for a wide load range of 200 MW-700 MW in the condition of water head 57 m-90 m.An extensive analysis of both time-history and frequency data of these unsteady hydraulic behaviours was conducted.It was observed that the pressure fluctuation in a draft tube is stronger than that in upstream flow passage.The low frequency with about one third of rotation frequency is dominative for the pressure fluctuation in part load range.Also the unsteady features of vibration of head cover and torsional oscillation of shaft exhibited the similar features.Numerical analysis showed that the vibration and oscillation are caused by vortex rope in the draft tube.In addition,a strong vibration with special characteristic frequency was observed for the head cover in middle load range.The pressure fluctuation in the draft tube with the same frequency was also recorded.Because this special vibration has appeared in the designed normal running condition,it should be avoided by carefully allocating power load in the future operation.     

混流式水轮机尾水管不稳定流的模拟

如果在设计阶段能够预测转轮和尾水管的性能，那么就能够节省时间和成本。在本研究中，对部分负荷条件下混流式水轮机尾水管中的不稳定流场作了数值模拟。在计算中，转轮和尾水管是联合的。结果成功地表示了尾水管中的偏心涡带和引起的压力振荡。     

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。     

非定常浅水流动中热水对流—扩散过程的数值模拟

本文从深度平均的连续、动量和热输运方程出发,应用深度平均的k-ε湍流模式,对非定常浅水明渠流动中侧向排入热水形成的速度场和温度场作了数值模拟。在定常情况下,本文的计算结果表明:当水深较浅或热水排放动量较大时,放弃“刚盖假设”对于提高预计精度是必要的。非定常情况的计算结果与采用准定常假设的计算结果作了比较。这一比较表明:即使以最大主流速度定义的Strouhal数很小,在憩流前后的一段时间内,流动非定常性对速度场和温度场的影响仍是显著的。     

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。     

低比转速导叶式混流泵水力性能分析

为了研究低比转速导叶式混流泵的水力性能,本文基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程及SST k-ω 湍流模型对该泵内部三维流动进行定常数值计算.给定不同流量,分别计算分析混流泵的扬程、效率与流量的关系,预测水泵能量特性,并分析该混流泵在五个典型流量工况下各过流部件的水力损失及流场特性.结果表明,小流量工况,导叶区的流动分离...     

水泵水轮机导叶间不同周向偏距对水力效率的影响研究

通过三维定常数值模拟方法,分析混流式水泵水轮机导叶间不同周向偏距RCP对水力效率的影响研究。选取9种不同的周向偏距RCP,对4种不同工况的计算,得到周向偏距RCP对水泵水轮机各工况效率影响规律。考虑机组设计工况和非设计工况下机组性能,周向偏距RCP在0-4/18之间比较合理。周向偏距RCP的变化引起水力效率下降的因素为:造成活动导叶出口处速度分布不均匀,进而活动导叶出口后的过流部件流速分布不均匀使得损失增大,导致水力效率降低。     

导叶相对距离对S形轴伸式贯流泵压力脉动特性的影响

为了分析不同导叶相对距离对S形轴伸式贯流泵装置压力脉动特性的影响,采用ANSYS CFX软件对4种不同导叶相对距离的泵装置进行了三维定常与非定常计算,并通过模型试验验证数值模拟计算的可靠性。结果表明:泵装置扬程与效率随导叶相对距离的增大先增加后减小,导叶相对距离对扬程的影响趋势更明显;导叶相对距离对监测点主频频率没有影响而对幅值影响较大;当导叶相对距离增大时,在导叶进口处,主频幅值逐渐减小,断面高压力脉动强度面积逐渐减小,近轮缘侧压力脉动强度变化比近轮毂侧更明显;在导叶出口处,各频幅值先减小后增大,断面高压力脉动强度面积先减小后增大;导叶相对距离为16 mm时,泵装置综合性能最优。     

水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩试验研究

为分析水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩大小及其变化规律,针对国内某抽水蓄能电站的水泵水轮机模型,基于电测应力分析方法,对活动导叶轴进行特殊加工处理,分别进行水轮机工况下同步导叶和非同步导叶的水力矩试验。对试验结果分析得出:在不使用非同步导叶时,随着导叶开度的增大所有被测导叶的导叶水力矩因数变化保持一致,并且水力矩的方向从导叶关闭方向逐渐转向导叶开启方向;设置10~#导叶为非同步导叶后,在非同步导叶开度与同步导叶开度值相差小于16.4%时,被测导叶的水力矩因数趋于均匀分布,差值大于16.4%时随着开度值的增大水力矩急剧增大,并且不同导叶的水力矩因数差别较大。     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

水轮机导叶含端面间隙的水动力学研究

本文基于N－S方程和标准κ-ε紊流模型，采用贴体坐标和结构化网格，用SIMPLE算法，对带有间隙导叶叶栅进行三维不可压定常粘性流动数值模拟。详细研究比较了导叶有无间隙两种情况下的水轮机导叶水动力学特性，揭示了水轮机导叶端面间隙流动的运动规律以及间隙流动对主流的影响，计算结果与实验吻合，从而为导叶及上下端面的磨蚀以及水轮机的水力稳定性提供理论依据。     

贯流式水轮机导叶水力矩计算

采用k-ε模型对贯流式水轮机导叶绕流做整体数值分析。为更好的控制来流,计算域进口采用速度边界条件;同时对导叶壁面进行了边界层细化。在数值分析基础上计算了不同开度、不同位置的贯流式水轮机导叶水力矩值。计算结果与试验结果对比分析表明：不同位置导叶水力矩计算结果与模型试验结果均有着较好的对应关系,导叶水力矩计算最大值与桨叶大转角工况水力矩试验值接近。说明应用本文方法求解导叶水力矩是合理、有效的。计算所得到的水力矩结果可以作为贯流式水轮机原型机设计的指导数据。最后计算了非同步工况导叶水力矩,获得了非同步导叶水力矩最大值与同步导叶水力矩最大值的一般数量关系。     

混流式水轮机轴向水推力研究综述和讨论

混流式水轮机稳定性的好坏直接关系到机组能否正常运行,其影响因素主要可分为水力稳定性和非水力稳定性,而前者是研究的热点问题。作为水力稳定性影响因素之一的轴向水推力是水流作用在转轮轴向上的力,通过推力轴承传递到厂房承重机架基础上,会影响轴承和厂房的安全运行。本文归纳分析了已建成水电站中由于轴向水推力异常导致的主要事故案例,从理论公式、试验测量和数值计算3个方面总结了轴向水推力计算的研究进展;系统讨论了多种水力激振力作用下轴向水推力的脉动特性,有利于提高对厂房的结构振动特性的认识;综合对比了减轻轴向水推力的各种措施及其特点,强调了对推力轴承的运行状态进行分析的重要性;最后展望了轴向水推力研究的发展趋势。本文可为继续深入研究涉及轴向水推力的相关工程设计、安全运行等问题提供参考。     

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。