水轮机导叶关闭过程的探讨研究

为了充分揭示水轮机导叶不同关闭过程对水轮机甩负荷过渡过程的影响,选择导叶两段关闭规律,针对第一段关闭时间、第二段关闭时间和导叶位置拐点开度,探讨这3个关键参数对机组转速变化和蜗壳水压力变化的影响,对工程实例进行计算分析,得出了导叶两段关闭过程的规律并进行了优化。合理的水轮机导叶两段关闭过程可以有效的解决机组甩负荷时转速升高和蜗壳水压上升这一矛盾,从而更有利于提高水电站运行的稳定性和安全性。     

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。     

抽水蓄能电站可逆机组导叶关闭规律探析

以东北某抽水蓄能电站为例,针对可逆机组独特的过流特性问题,研究了可逆式机组甩负荷后导叶紧急关闭规律对抽水蓄能电站过渡过程的影响,对比分析了具有延时段的直线与折线关闭规律.结果表明,该方法确保了机组飞逸转速在允许范围内,并有效降低了输水系统中的水击压力上升值,为电站的安全提供了依据.     

浅析水轮机导叶两段关闭规律的选择

针对水轮机导叶不同关闭规律对水轮机组水力大波动过渡过程有很大影响,探讨了导叶两段关闭规律及影响过渡过程的三个关键因素(即第一、二段关闭时间和导叶拐点开度),以雷家山电站机组为例,分析了两段关闭规律并进行了优化计算.结果表明,水电站设计中合理选择水轮机导叶关闭规律是解决机组甩负荷时转速和蜗壳水压上升值矛盾的有效方法之一.     

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.     

导叶开度对混流式水轮机尾水管内流动特性的影响

为了深入研究尾水管内的流动特性,结合某电站混流式水轮机的实际运行情况,基于标准的κ-ε湍流模型,选用Fluent软件在额定水头不同导叶开度下对其进行全流道数值模拟,分析了不同导叶开度对混流式水轮机尾水管内部流动特性的影响。结果表明,当导叶开度为100%时尾水管内部形成了周期空化涡带,此涡带的存在易导致水轮机机组产生强烈振动;当导叶开度较小时,尾水管内速度分布较为均匀;尾水管进口段的压力分布情况对导叶开度的变化较为敏感,可通过合理控制导叶开度来减小尾水管内的水力振动,降低水力损失。     

超高水头水泵水轮机甩负荷导叶关闭规律分析

为研究导叶关闭规律对超高水头水泵水轮机甩负荷的影响,以敦化电站为例,定性分析了超高水头大容量高转速蓄能机组的过流特性;在过流特性曲线分析的基础上,采用一段直线、延时直线及传统两段的三种导叶关闭规律对该电站进行大波动过渡过程计算分析。计算结果表明,关闭规律的选取对过流特性的依赖性强,该特性对过渡过程各参数值的影响较大;延时直线关闭可有效降低蜗壳进口压力,虽机组转速会小幅度上升,但在可控范围内,对尾水管进口最小压力没有积极作用;两段关闭中折点位置和时间的选择在平衡蜗壳进口压力和尾水管进口压力方面很关键。研究成果对高水头蓄能电站导叶关闭规律的选择具有借鉴意义。     

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。     

大消落深度的水电站机组导叶关闭规律研究

水电站调节保证计算是指导水电站输水系统设计、机组参数优选,确保电站在全生命周期内健康工作和安全运行的关键。合理的机组导叶关闭规律是经济有效控制水电站水力过渡过程调保参数的核心。以水库消落深度较大的水电站为例,基于特征线法建立了水力过渡过程数值仿真模型,开展了导叶关闭规律的优化研究及相关影响因素的敏感性分析。结果表明,大消落深度的水电站蜗壳最大压力的控制工况为最大水头工况,而机组最大转速上升发生在额定水头工况;在一段直线无法满足调保控制标准的情况下,大消落深度的水电站可采用“先快后慢”的两段折线关闭规律以有效改善蜗壳最大压力及最大转速上升率;两段折线关闭规律的折点位置可根据最大发电水头工况的初始开度确定,宜接近该初始开度,可等于、略大于或略小于该初始开度;第二段关闭速率主要受蜗壳最大压力控制,可根据控制蜗壳压力的最大水头工况下的直线关闭规律结果确定,而第一段的关闭时间在小于第二段关闭规律的前提下根据机组转速上升控制工况确定。结果可为类似工程的关闭规律选取和优化提供参考。     

斜式泵装置负扬程飞逸过渡过程内部流动特性分析

为了研究斜式轴流泵装置正转飞逸过渡过程的水动力特性,采用数值模拟与模型试验相结合的方法分析了1座斜30⁰轴流泵装置正转飞逸过渡过程中泵装置的内外特性。结果表明,-3.33 m扬程下水泵正转飞逸转速为383.0 r/min,是额定转速的2.72倍,远超同扬程下反转飞逸转速;泵装置达到飞逸工况后扭矩并不恒为0,而是围绕0波动;随着叶轮转速的增加,在出水流道中隔板两侧断面的流量存在明显差异,达到正转飞逸工况后两侧流量相差3倍,偏流程度与转速有关;偏流现象宏观上表现为中隔板两侧流量不均,微观上表现为两侧水压脉动特性迥异;出水流道中隔板两侧的偏流是由导叶出口剩余环量引起的。研究结果对今后斜式轴流泵装置的设计具有重要的参考意义。     

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。     

变几何涡轮可调导叶瞬时转动气动特性研究

为探究单级变几何涡轮(VGT)在导叶转动过程中的过渡态性能,对某动力涡轮进行了非定常数值计算,应用动网格技术实现导叶转角的改变,并对导叶通道开大或关小过渡过程中涡轮性能进行了分析。结果表明：导叶转角从0°变化到-5°时,单级涡轮效率逐渐下降1.6%,从0°变化到6°时,效率逐渐提高0.5%;质量流量和导叶出口绝对气流角随转角改变接近线性变化,而动叶出口相对气流角、熵增、效率和导叶出口总压损失等随转角改变呈抛物线型变化;过渡态下导叶流场内损失变化主要受上、下端壁处间隙泄漏涡影响,动叶出口熵增变化规律主要受动叶吸力侧泄漏涡和下部通道涡影响,其中下部通道涡的改变是引起熵增变化的主要原因。     

水泵水轮机转轮加装短叶片前后的流动特性对比

为对比高水头水泵水轮机的转轮加装短叶片前后的能量特性及流动特性,基于SST湍流模型,选取4个具有代表性的水泵及水轮机工况,对有/无短叶片的水泵水轮机进行全流道三维定常计算。数值模拟结果表明,以水泵运行时加装短叶片可抑制脱流与漩涡等二次流现象,降低单个叶片承受的水力载荷,提高转轮进出口、导叶区及蜗壳静压,使泵获得更高的扬程。水轮机运行时添加短叶片可减小转轮出口环量,改善在尾水管内形成的复杂漩涡流,提高其水力效率。相同边界条件下,长短叶片转轮改善了转轮区的流动条件,从而提升了机组的能量特性及水力稳定性。     

变几何低压涡轮级多工况气动性能研究

为明确变几何低压涡轮级在多转角工况下气动性能变化情况,通过RANS方法并结合SST湍流模型,研究了可调导叶转角分别为-6°,-3°,0°,3°和6°条件下低压涡轮级的气动性能变化。结果表明：可调导叶旋转角度的变化会明显改变导叶叶顶及动叶通道内的流动情况,角度变大会增加涡轮级流量,并使导叶叶顶处负荷后移,上端区二次流强度增加,叶顶泄漏情况减弱,还会减小动叶进口相对气流角,使动叶压力面出现明显分离;角度变小对低压涡轮级流场的影响与之相反。当导叶转角从-6°变化到+3°时,涡轮级等熵滞止效率提升了约6.7%;当导叶转角从+3°变化到+6°时,涡轮级效率却下降了约0.19%。     

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。     

超低水头轴流式水轮机CFD优化及流动特性研究

结合某水电站改造要求,研发了一种设计水头为2.75 m的超低水头轴流式水轮机并对其性能进行优化,以达到有效利用低水头水力资源的目的。基于不可压缩连续方程及雷诺时均Navier-Stokes方程,采用Spalart-Allmaras湍流模型和SIMPLEC算法对轴流式水轮机进行三维全流场数值模拟,分别分析了轴流式转轮叶片翼型、轮毂比、导叶开度及安放角对水轮机性能的影响,并对最优模型进行实测验证。结果表明,在满足设计水头为2.75 m的情况下,选用配置叶片B、轮毂比为0.30、叶片相对安放角为-2°的水轮机,当导叶相对开度为0°时,装置水力损失最小,最高效率达83.7%,且数值模拟计算所得出力与实测结果误差小于099%,表明基于CFD的数值模拟对超低水头轴流式水轮机的性能预测精度较高。     

变几何涡轮可调叶栅过渡态特性研究

变几何涡轮使发动机在变工况下的性能得到提升,为了更透彻地了解变几何涡轮导叶转动过程中参数的变化情况,通过数值模拟及试验方法探究可调叶栅过渡态特性。将变几何涡轮导叶进行调节,导叶调大范围为0°~6°,导叶调小范围为0°~-5°,观察过渡态参数变化规律。试验研究表明：导叶在调大及调小过程中,导叶出口质量流量、绝对气流角和绝对马赫数随转角接近线性变化,导叶出口总压损失系数和熵增接近抛物线变化;导叶从0°向-5°转动过程绝对出口马赫数减小了2.2%,总压损失系数增加了37.3%;导叶从0°向6°转动过程中,导叶出口马赫数增加了1.5%,导叶出口总压损失系数减小了15.8%;在导叶转角和二次流改变的影响下,吸力侧和压力侧来流在导叶尾缘后掺混改变,沿叶高分布的出口绝对气流角不同程度地偏离几何出口角;导叶转角调大,上部通道涡沿叶高上移,泄漏涡和通道涡相互削弱,总压损失系数减小。     

X型叶片水轮机水力特点及全三维数值模拟

X型叶片为先进水轮机设备的关键部件,对其水力特性研究很有必要。以新疆某水利工程为例,在联合坐标系下对低水头大变幅X型叶片水轮机流动进行了CFD计算,得到了蜗壳、座环、活动导叶、转轮和尾水管等过流部件的压力分布和速度分布特性,计算结果表明,X型叶片水轮机在设计水头至最小水头大流量条件下更易发生空蚀破坏,而在最大水头小开度条件下尾水管脉动压力变幅较大,振动问题突出。     

低比速水轮机转轮副叶片对水力性能的影响

基于Numeca的数值模拟功能,以N-S方程为控制方程,采用Sparlart-Allmaras湍流模型和结构化网格,分别对混流式水轮机有无副叶片情况下长短叶片、活动导叶、固定导叶等过流部件的流场进行三维数值模拟,并利用Numeca自带的后处理模块CFView对比分析了两次模拟结果的速度矢量分布、压力矢量分布和流场状况。结果表明,副叶片可使流场的速度矢量、压力矢量分布更加均衡、过流能力更好、水力效率更高。