导叶不同开度下抽水蓄能机组水轮机工况内流特性分析

为了解抽蓄机组水轮机工况下活动导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行活动导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,探讨活动导叶开度对过流部件内部流场的影响.结果表明:随着导叶开度的增加,水泵水轮机的流量增大,转轮力矩增大但增幅降低,效率先增大后降低.蜗壳整体上的压力沿周向分布比较均匀,从蜗壳进口到蜗壳出口均匀降低,水力损失较小;固定导叶形状及安放角与活动导叶搭配影响较大,小开度和大开度工况下活动导叶和固定导叶进口处水力损失大;压力变化线与进出口是否平行影响转轮内部流态,中开度转轮叶片做功最好;小开度工况下易产生偏心涡带,降低机组效率,不利于尾水管能量的回收,中开度工况下尾水管流态最好.研究结论对抽水蓄能机组运行提供了理论参考.     

多工况下高水头水泵水轮机压力脉动特性分析

为研究多工况下高水头水泵水轮机内部的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为例,采用SST湍流模型对非设计工况点下的水泵水轮机进行三维全流道非定常数值模拟,同时监测了固定导叶与活动导叶间、无叶区及尾水管处的压力脉动。结果表明,对于固定导叶与活动导叶之间的区域,水轮机工况下的压力脉动主频为叶片通过频率,而水泵工况下的最高扬程和最低扬程工况的主频分别为转频和叶片数通过的频率;对于无叶区,由于受到强烈的动静干涉效应,水轮机、水泵工况下的主频均为转轮叶片数通过频率,且脉动幅值较大;对于尾水管区域,直锥段处的频率分布规律与流量有关,水轮机小流量工况下,尾水管内主要为0.3倍转频的低频压力脉动,而水轮机大流量工况下,脉动频率主要以2.6倍转频为主。     

水泵水轮机甩负荷瞬态过程叶间流场分析

为研究甩负荷过渡过程水泵水轮机内流场特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为例,采用网格壁面滑移技术与DES湍流模型对机组甩负荷过程进行三维瞬态数值模拟,基于湍动能、压力等信号提取叶间流场演变特征。结果表明,后1/3导叶域及其后流道内压力脉动剧烈,50%导叶关闭后,无叶区内形成带圆周速度的水环阻碍水流进入转轮;66.7%导叶关闭后,转轮叶间流道内出现涡旋,在较大压力梯度作用下旋转失速涡带扩散加剧流动分离,阻塞转轮流道。甩负荷过程尾水管内先充满与转轮同向的旋流,紧接着靠近内壁侧出现空腔且外壁侧旋流量减小,然后内壁侧出现与外壁侧旋向相反的回流。研究结果为良好运行性能的机组设计奠定了基础。     

水泵水轮机启动过程转轮叶片受力分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况启动过程转轮区域流态对叶片载荷的影响,以某水泵水轮机模型为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型开展水泵水轮机全流道三维数值计算,运用UDF技术和动网格方式,控制启动过渡过程活动导叶的开启过程,分析机组启动过程中转轮的转速变化,并与试验结果进行对比。结果表明：数值计算与试验结果吻合度较高,该文数值计算准确可行;启动过程中,在0~5 s区间,转轮叶道中间分布明显沿周向规律分布的叶道涡,叶道涡随开度的增加及转轮叶片来流条件的优化逐渐变小然后消失;启动过程来流与转轮叶片工作面发生冲击并在此区域形成高压区,导致叶片工作面进口位置压力载荷集中、相同半径处叶片工作面背面压力差较大。启动过程中转轮叶片来流与叶片工作面发生冲击是叶片压力载荷集中以及叶道涡的主要诱因。     

导叶开度对混流式水轮机转轮内部流态的影响

基于数值模拟方法,以梯级水光蓄互补联合发电系统示范工程中的猛固桥电站混流式水轮机为研究对象,对水轮机在不同特征水头、不同导叶开度工况下转轮叶片表面受力及流道内流场特性进行研究,分析导叶开度改变对水轮机转轮内流态的影响规律。结果表明：导叶开度对于混流式转轮进口流态的影响较大,导叶开度越小入流速度波动程度越大,来流对叶片头部冲击越大,在进口处产生严重的冲击损失;随导叶开度减小,转轮叶片表面等压线与进口边夹角增大,在上冠交接区域产生小三角区低压,使转轮流道出口更易产生空化损失。     

混流式水泵水轮机工况轴面水流的运动特性

为探讨叶片式水力机械的水流特性,用五孔测球量测了混流可逆式水泵水轮机转轮前后的绝对流场。在导叶出口,转轮出口和尾水管进口各装设了测球一支,量测了水轮机工况三个断面上的流速分布规律,另外还     

淮阴抽水站可逆式轴流泵装置性能研究

为了满足泵站抽水发电可逆运行的要求,应用Fluent软件,利用CFD数值模拟技术模拟了不同方案的流道内流场,分析了叶片翼型、叶片个数、轮毂比、导叶数量、导叶距转轮出口距离对水泵性能的影响,得到了最优的水力模型装置,即转轮叶片数为4、最优安放角为0°、轮毂比为0.40、导叶数为5、导叶进口边与转轮出口距离为268mm时,转轮具有更好的做功能力,且装置全流道效率和转轮效率达到最大值。根据数值模拟计算设计出的轴流式水泵水轮机转轮特性与模型试验结果比较接近,具备实际应用价值,不仅可节约新转轮的开发成本,且缩短了研发时间。     

高水头电站水轮机沙水流动特性的数值研究

研究泥沙磨损有助于降低水轮机磨损,延长水轮机使用寿命。运用Partical两相流模型对高水头多泥沙电站的水轮机全流道内部沙水两相流动进行数值计算,并分别分析转轮进口沿叶高20%、50%、80%流面的流动特性。计算结果表明,压力从固定导叶进口到转轮出口圆周方向的周向性较好,分布合理,最低压力高于空化压力。活动导叶上泥沙相体积分数最高在导叶头部位置,尾部泥沙相体积分数也较高,导叶靠近头部处和导叶尾部泥沙速度最大。转轮叶片各叶高流面泥沙相体积分数均在叶片工作面尾部达到最大,叶片头部和尾部位置泥沙速度均较高。研究结果对水轮机选材、关键磨损部位的预测及防护方案具有指导意义。     

基于CFD的球阀关闭对水泵水轮机飞逸过程影响的分析

蓄能机组发生导叶拒动飞逸过渡时,工况点经历不稳定的反S特性区,产生巨大压力脉动和振动,需要球阀及时关闭来加以控制。针对某抽水蓄能电站模型试验系统,采用一维管道与三维水泵水轮机耦合的CFD方法,模拟分析球阀关闭对飞逸稳定性与水轮机压力脉动和转轮受力的影响。结果表明,球阀关闭可有效抑制飞逸振荡,减小压力脉动,使波动趋于稳定;在线性关闭条件下,飞逸前期特性主要受转轮特性的影响,球阀的作用在后期逐渐体现;线性关闭对减小转轮轴向力和径向力均有利。这为球阀关闭规律的优化奠定了基础。     

水泵水轮机调相运行水环内部流动分析

水泵水轮机调相运行是抽水蓄能机组转换工况的一个重要过程,在泵工况下压水起动过程中,转轮腔体内注入压缩空气以降低泵启动所需功率。以中比转速水泵水轮机的模型为例,基于RNGκ-ε湍流模型,采用VOF多相流模型对水泵水轮机运行在泵工况压水起动阶段的水环现象进行非定常流动分析,探讨水环现象下不同冷却水流量对无叶区内部流动的影响。结果表明,空气与水在无叶区内形成明显的交界面,构成一定厚度的水环,该水环可有效阻止空气从转轮腔体内泄露至蜗壳内,起到对空气的密封作用。同时在不同冷却水流量下,无叶区内的压力脉动均呈动静干涉现象,其主频为叶片通过频率。     

灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性分析

为了研究灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性,以某水电站贯流式水轮机为研究对象,利用RNG k-ε湍流模型对全流道进行数值计算,分析在小流量工况下尾水管恢复系数和全流道流动情况,并定量分析水轮机部分过流部件的压力脉动情况。结果表明：在小流量工况下当电站水头和导叶开度不匹配时,尾水管的恢复系数减小,当尾水管恢复系数减小2%~3%时,机组效率降低1%;受转轮主流区和尾水管死水区的相互作用,在尾水管边壁会形成漩涡结构,有明显的回流且在边壁存在高速流体;在小流量工况下,机组主要受低频压力脉动影响,转轮进口处的主频是由在转轮转动和导叶提供机组环量时产生的,在尾水管中主要受频率为0.2 Hz的低频压力脉动影响,压力脉动系数沿尾水管出口方向依次增大,最大为1.75%。     

尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

以Phase Ⅵ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明：旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。     

水泵水轮机空化流及转轮轴向受力分析

为研究水泵水轮机在水泵工况运行时的空化特性及转轮所受轴向力的变化情况,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机模型为研究对象,基于Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,在不同流量系数下进行不同空化数的三维数值模拟并与实验对比验证。结果表明:在小流量和设计流量工况下气泡首先出现在吸力面靠近前缘位置并逐步向叶片出口和压力面扩展,而在大流量工况下气泡首先在压力面出现,并扩展至吸力面区域且已远离前缘位置,同时探讨了轴向力随着空化数的变化规律。     

水泵水轮机四象限工况无叶区内流场PIV试验研究

鉴于PIV(粒子图像速度仪)是对流体机械内部流场进行试验研究的重要技术,以某模型水泵水轮机为例,设计搭建了模型试验台,并对试验部件进行可视化处理,利用PIV测试了水泵水轮机无叶区的四象限工况(8个开度)的内部流场,并对无叶区的速度内流分布经过PIVView3C后处理得到流线图和速度分布图。结果表明,最优开度的流线图优于导叶开度20°的内流流态,导叶开度20°的内流流态相比导叶开度5°较好,导叶开度5°的漩涡更加密集;导叶开度5°工况下的流场具有周期性变化趋势,是造成无叶区产生压力脉动的主要原因。     

叶片开度对贯流式水轮机飞逸过程的影响

为有效降低水轮机飞逸过程中机组的振动问题,通过水轮机试验模型改变导叶开度和桨叶开度对水轮机过渡过程进行研究,分析了多个监测点的压力、频率流量等工作参数的变化情况。结果表明,由于转速和流量的增加,水轮机在导叶开度60°和桨叶开度4°运行时振动最为强烈,水轮机在低频时振动剧烈。由于受到导叶和桨叶动静影响,转轮出口振动强烈。导叶和桨叶慢速关闭能够降低压力脉动、轴向力、尾水管的真空度,但慢速关闭会增加负水锤,促进水轮机的破坏。使用遗传算法,通过加入权因子和罚因子,能够将水轮机多目标约束研究问题转化为单目标无约束研究问题,优化的导叶关闭规律对飞逸过程中出现的转速上升和压力上升有缓解作用,能够有效降低各点的振动。