工况变化对贯流式水轮机叶顶间隙流态的影响

贯流式水轮机是低水头水能资源开发的主力机型之一,而转轮叶片叶顶间隙流动特性是影响其空化、稳定性能的关键因素。基于数值模拟的方法,本文研究了工况变化引发转轮叶片叶顶间隙泄漏涡初生位置、形态变化的机理,分析了间隙泄漏涡形态改变对水轮机空化、稳定性的影响规律,主要结果表明：工况变化必然伴随导叶开度变化,导叶开度的改变使得转轮叶片外缘头部冲角改变,进而对间隙泄漏涡的初生位置及三维形态产生影响;间隙泄漏涡初生位置及形态的变化是转轮叶片外缘空化特性改变的根源之一;间隙泄漏涡会提高其扫略区域内测点的压力脉动幅值,泄漏涡的影响可导致测点的压力脉动幅值提高一倍以上。     

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。     

《东方电机》2005年总目次

水轮机作者期数页码贯流式机组的类型及东电大型竖井贯流式机组的开发钱昌燕孙媛媛11～12防止混流式水轮机转轮叶片产生裂纹的措施陶喜群113～18水轮机活动导叶计算机辅助配重计算方法付丰旗周文凯119～22,28龚嘴电厂水轮机改造压力脉动试验研究徐巍巍123～28主泵的全流道CFD分     

基于CFD分析的水泵水轮机活动导叶优化设计

可逆式水泵水轮机是抽水蓄能电站的关键核心部件,活动导叶又是水泵水轮机中的关键核心过流部件,活动导叶设计的水平决定着水轮机的能量指标。导叶后转轮前的区域是引起水轮机振动的关键区域,并且对水泵轮机的能量指标、水轮机工况的"S"形曲线和水泵工况的"马鞍形"曲线的形状有着极其重要影响。本文对水泵水轮机活动导叶的数目进行了详细研究,得出了其对水轮机工况"S"型、能量特性、空化特性和压力脉动特性的影响。     

混流式水轮机压力脉动与振动稳定性研究进展

混流式水轮机水力振动是影响水电站安全稳定运行的关键问题之一,研究混流式水轮机不稳定流诱发的压力脉动和振动问题,对于提高机组和水电站的运行稳定性有着十分重要的意义.本文着重介绍了水轮机压力脉动与水力稳定性模型试验、水轮机压力脉动与振动数值模拟以及水轮机转轮动应力与叶片裂纹研究方面的最新成果.在总结、分析现有研究成果的基础上,提出了混流式水轮机压力脉动和振动稳定性领域需要进一步研究的问题.     

水泵水轮机在水轮机制动工况下压力脉动的模型试验研究

本文对水泵水轮机模型装置在水轮机制动工况下的压力脉动迚行了试验研究,得到了不同导叶开度和不同测点位置,压力脉动信号在时域和频域内随流量的变化规律。此外,对无叶区压力脉动信号迚行了细致的分析,发现在导叶开度A0=20~40mm的范围内,该测点位置在小流量区域存在大小约0.5~0.7倍转频的特殊频率,这种频率能影响压力脉动的时频特性。     

高水头混流式水轮机的动静干涉与振动问题研究北大核心CSCD

针对小天都1号混流式水轮机运行中高频振动的问题,本文采用真机试验和数值计算的方法,研究了水轮机无叶区的动静干涉及蜗壳水力激振频率。在真机试验中,主要分析了机组的振动、水压力脉动的幅值和频率特性,同时利用数值计算进行全流道非定常计算,模拟了活动导叶与转轮之间的动静干涉,详细分析了蜗壳与无叶区的压力脉动特性,两者共同证实机组的异常振动是由于动静干涉引起的。其次,针对现场试验中机组出现的振动问题,从产生共振的条件出发,提出了最佳叶栅组合、降低了无叶区的压力脉动,为水电站减振降噪提供了可实施方案。     

高水头混流式水轮机的动静干涉与振动问题研究

针对小天都1号混流式水轮机运行中高频振动的问题,本文采用真机试验和数值计算的方法,研究了水轮机无叶区的动静干涉及蜗壳水力激振频率。在真机试验中,主要分析了机组的振动、水压力脉动的幅值和频率特性,同时利用数值计算进行全流道非定常计算,模拟了活动导叶与转轮之间的动静干涉,详细分析了蜗壳与无叶区的压力脉动特性,两者共同证实机组的异常振动是由于动静干涉引起的。其次,针对现场试验中机组出现的振动问题,从产生共振的条件出发,提出了最佳叶栅组合、降低了无叶区的压力脉动,为水电站减振降噪提供了可实施方案。     

有无轮缘间隙的贯流式水轮机三维流动数值模拟

本文基于N-S方程和k-ε湍流模型、非结构化网格和多块网格技术,采用导叶和转轮部分联合计算的方法,在不同工况下,对贯流式水轮机模型转轮轮缘间隙在0、0.25 mm、0.5 mm和1 mm的情况分别进行了计算,分析了轮缘间隙对叶片压力分布、速度矢量、数值效率和间隙泄漏量的影响.通过对水轮机间隙流动的定性和定量分析,揭示了贯流式水轮机轮缘间隙内流动规律.     

水轮机空化系数及其对水力性能的影响

水轮机空化系数对水轮机的效率、出力、空化、压力脉动、飞逸转速及轴向水推力等性能均有一定影响,有的工况影响非常大。本文首先介绍了空化系数对能量、空化性能的影响及与其有关的两个空化系数的区别,然后着重介绍了空化系数对压力脉动和飞逸转速的影响,探讨了空化系数对轴向水推力的影响及正确的试验方法。     

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。     

电站轴流引风机叶片通过频率振动超标问题机理分析及治理

在广泛调研及查阅文献的基础上，系统研究了国内燃煤发电机组轴流引风机在环保改造后普遍存在的叶片通过频率振动超标问题，通过以国内某电厂引风机叶片通过频率振动治理的典型案例为研究对象，对叶片通过频率振动超标现象的内在机理及治理过程进行了详细分析。研究结果表明，叶顶间隙均匀度、机壳圆度、叶片同步性、叶片形态一致性、叶轮平衡状态、出口烟道形式等多种因素均会对该振动问题产生影响。最后对不同原因引起的叶片通过频率超标问题给出了相应的治理方案。该研究结果及治理经验可用于治理电站轴流引风机叶片通过频率振动超标问题。     

海水淡化高转速泵作透平的压力脉动分析北大核心CSCD

离心泵反转作透平是海水淡化能量回收一体机的核心动力部件之一,运行时的压力脉动是机组产生振动和噪声的主要因素之一。本文以高转速离心泵反转作透平为研究对象,采用SAS-SST-CC湍流模型,对其进行整机流道三维非定常流动数值计算,通过流场分析及压力脉动频谱分析,探讨该透平在运行时的非定常流动特性。非定常数值计算结果显示,蜗壳内多测点的压力脉动主频均为叶片通过频率,说明蜗壳内压力脉动主要由转轮和蜗壳隔舌间的动静干涉引起;旋转转轮域内8个叶片间流道中各布置了6个测点,各相似位置测点间的压力脉动峰峰值最大相差10.3%,说明对称的旋转转轮内的流动分布严重不均,这些旋转测点的脉动频率主要为叶频8倍频附近的主频或次主频,说明转轮与蜗壳间的动静干涉、叶片流道间的漩涡是引起转轮内压力脉动的主要因素,且局部漩涡引起的压力脉动强于转轮动静干涉造成的。结果表明,转轮内压力脉动比蜗壳内明显剧烈,旋转转轮内的压力脉动是机组振动主要水力原因。     

三板溪水电站模型水轮机优化设计

效率、空化和稳定性是水轮机的三个重要指标,本文通过三板溪电站模型研发,通过CFD分析,对模型水轮机的蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管进行了全面的优化设计。通过模型试验验证,三板溪电站水轮机水力性能得到了全面的提升,模型最高效率达到了95.2%,空化性能和稳定性都达到了预期目标,CFD分析结果与模型试验结果基本吻合。     

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。     

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。     

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。     

垂直轴螺旋三角型叶轮的水动力学性能分析

为改进直叶片垂直轴潮流能水轮机能量输出稳定性差的缺点,一种螺旋“三角型”叶轮被引入用以替代传统直叶片H型叶轮。首先分别以半叶高螺旋周向包角为15°、30°、45°及60°作为设计特征设计获得四种螺旋“三角型”叶轮,然后以计算流体动力学理论为基础研究了半叶高螺旋包角对螺旋“三角型”叶轮水力性能的影响规律。通过研究发现,叶轮改型之后的能量捕获系数有了不同程度的提升,其中改型叶轮在大尖速比工况下的能量捕获系数提升最明显,同时,螺旋包角越大,叶轮功率输出越稳定。经过综合对比,具有15°螺旋包角的叶轮性能最佳,其能量捕获系数的时均值最大提升率为13.4%,且能量输出稳定性也获得改善。此外,通过叶轮改型前后的内流场对比发现,螺旋叶轮不仅有效地减小了叶片尾涡的尺寸和范围,也减小了叶片上水压力脉动的幅值,有利于机组运行稳定性的提高,因此,螺旋“三角型”叶轮可作为一种替代传统H型直叶片叶轮的改进结构在潮流能开发过程中推广。