水轮机尾水管内部压力脉动试验研究

水轮机尾水管内部的水压力脉动是影响水轮机组运行稳定性和发电效益的重要因素之一。对水轮机模型,测取了从直锥段进口至尾水管出口8个截面共26个测点在6个稳定运行工况下的水压力脉动数据。通过水压力脉动数据的FFT频谱分析,研究了直锥段和尾水管内部在不同位置不同工况下的压力脉动在时域及频域上的变化规律。结果显示,尾水管内部的压力脉动在不同位置不同工况都有区别,直锥段内的压力脉动与转轮出口流态密切相关,尾水管肘管之后的压力脉动与尾水管本身的形状关系较大。这对改善尾水管设计、提高机组运行稳定性具有参考价值。     

混流式水轮机的非定常流动分析

通过混流式水轮机定常和非定常流动计算,研究混流式水轮机在不同开度下的流动特点,阐述非定常流动分析结果。非定常流动计算结果表明:开度a12时,转轮出口靠近上冠处压力脉动不显著,中间流线和下环处脉动较为强烈;尾水管中涡带主要集中于直锥段,呈螺旋型,在肘管处逐渐变小消失。尾水管内部压力脉动主要集中在直锥段和肘管,频率为低频,是转频的0.233倍;其中直锥段脉动幅值较大,内外两侧压力脉动频率基本一致。开度a24时,转轮出口靠近上冠处没有回流,脉动小,中间流线和下环处压力脉动更为剧烈,脉动频率为转轮频率与叶片数乘积的倍数;尾水管涡带在直锥段水流形成的呈柱状涡,在肘管变成较小的螺旋型涡带,其结果是长的涡带在尾部形成像钻机式的切削作用,对水轮机效率和稳定性产生严重的影响,涡带的长度为研究混流式水轮机尾水管深度和优化设计提供理论依据。     

无导叶离心泵蜗壳内低频压力脉动分析

为探究无导叶离心泵蜗壳内低频脉动的产生机理及该低频脉动对蜗壳内各监测点压力脉动的影响,采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,在与试验结果对比分析验证模型计算精度的基础上,进行3个不同工况下的非定常压力脉动计算,其中湍流模型选用剪切应力输运(Shear stress transport,SST)模型,分析结果表明,蜗壳出口段因流线扭曲会产生一个低频脉动,出口段测点的主频等于该脉动的频率,且该低频脉动会对蜗壳内其余测点产生近乎一致的影响,使各点在该频率下具有相近的压力系数,其值与出口段的流动分离直接相关;各点脉动存在两个明显频率:低频与叶频;蜗壳隔舌附近的横截面上存在因流线扭曲产生的漩涡,其频率即为蜗壳出口段低频脉动的主频,从而证明因流线扭曲产生的漩涡为低频脉动产生的根本原因。     

混流式水轮机定常流动分析

通过混流式水轮机全流道的定常流动数值模拟,研究混流式水轮机内部尤其是尾水管在不同工况下的流动特点,目的在于探明引起混流式水轮机内部流动不稳定的真正原因.计算结果表明,引水部件的流动,蜗壳鼻端处压力波动均较为剧烈,周向分布不均匀,但是经过固定导叶和活动导叶的过滤后周向分布基本对称.转动部分的流动,小开度低单位转速时,较小的导叶出流角,使转轮叶片头部受到撞击,叶片上横向流动和背面的叶道涡严重,转轮出口靠上冠处有回流和横向流动,泄水锥下方回流严重;大开度时,转轮进出口流态都得到改善.尾水管内,小开度时,锥管中心回流严重,大部分水流流向外缘,受肘管的影响,锥管和肘管内部形成两个涡流区,主流流经支墩左侧,右侧较为紊乱;最优开度时,尾水管内部水流流线顺畅,支墩两侧水流平稳性基本一致:大开度时,尾水管主流向锥管中心聚拢,经过肘管的转弯时,出现很多局部的旋涡流动,支墩右侧水流相对平稳,而左侧较为紊乱.研究结果为压力脉动测量位置的选择提供理论依据.     

预开导叶下水泵水轮机S特性及其压力脉动分析

可逆式水泵水轮机兼具了发电以及储能的特点既满足人们环保意识的需求也满足对功率的平衡与控制。但水泵水轮机在S特性区内运行会发生机组并网困难或者甩负荷过程中水压异常上升,使机组振动加剧。为探究预开启导叶的方法对水泵水轮机S特性的改善,对水泵水轮机模型分别在同步导叶和不同预开启导叶条件下进行能量试验及全流道内流场的(Computational fluid dynamics,CFD)数值计算;通过试验数据与计算结果的对比分析预开导叶后水泵水轮机S特性及其压力脉动特征。CFD计算结果及模型试验数据表明,预开导叶的方法能有效解决水泵水轮机S特性问题,但是预开导叶后,飞逸工况下的单位流量变大,造成转轮内的流动轴对称特性较差,导致机组的脉动加大,尾水管压力脉动幅值较大,运行稳定性较差,所以通过预开导叶的方法来改善S特性仍然存在弊端。     

叶轮形式对双吸离心泵压力脉动特性影响试验研究

双吸离心泵压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素之一.为研究叶轮形式对双吸离心泵压力脉动的影响,对5种方案的叶轮进行压力脉动同台试验.通过在吸水室和压水室壁面布置压力脉动传感器,采集各个测试流量下的压力脉动信号,并进行混频幅值和频谱分析,得到吸水室和压水室的压力脉动分布规律.结果表明:双吸离心泵普遍存在叶片通过频率、泵轴旋转频率和低于轴频的低频脉动成分.相对于传统双吸叶轮,两侧叶片交错布置后可改善压力脉动特性;调整叶片出口边形状,增加叶片后盖侧的包角,可明显降低压水室叶片通过频率的脉动幅值,减轻动静干涉的危害;采用长短叶片形式可改善叶轮进口流态,降低吸水室的压力脉动,改善小流量工况下压水室的压力脉动特性.     

偏离工况下离心泵的压力脉动和振动分析

为分析偏离工况下离心泵压力脉动和振动情况,本文采用大涡模拟和滑移网格技术研究一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动,并对其进行了频域分析。分析结果表明:离心泵内部流动产生的压力脉动主频多数情况下是其通过频率。在不同运行工况下,叶轮出口处的压力脉动幅值均最大,大流量偏离工况下离心泵内部各部分压力脉动特性与设计工况基本相同,只是脉动幅值略有增大;小流量偏离工况下,离心泵叶轮出口(叶轮和蜗壳动静干涉区域)压力脉动幅值有所增大,脉动主频不再是通过频率,而且其频谱宽度明显增大;当离心泵运行工况小于0.6Q时,压力脉动明显比设计工况剧烈。     

大型混流式模型机组动应力及压力脉动测试研究

最近几年在若干水力工程中,由于设计及机组运行调度的不合理,一些电站的机组,尤其是转轮叶片出现了局部裂纹问题,这引起了业界的高度关注。为此,东方电机在模型机组和真机上开展了叶片表面的动应力及表面压力脉动的测试。呈现模型机组测试的结果,通过这种测试发现最大的压力脉动幅值出现在转轮进口边区域,叶片表面上的压力脉动幅值明显大于转轮与活动导叶动静干涉所在的无叶区诱发的压力脉动幅值以及尾水涡所在的尾水管区域诱发的压力脉动幅值。叶片表面的压力脉动对应的主频和动应力对应的主频一致,主要为叶片数通过频率。动应力表现为类转频、尾水涡频率和动静干涉频率的叠加。     

离心泵变转速压力脉动特性的试验研究

为探究变转速运行对离心泵压力脉动的影响,以1台比转速为95的单级单吸离心泵为研究对象,利用高频动态压力传感器,同步采集泵进、出口及蜗壳周向不同位置处变转速下的压力脉动信号,并开展相似工况下压力脉动信号频谱特性分析。试验结果表明:相似工况下,随转速提高,轴频、叶频及其倍频的压力脉动幅值均增大;对压力脉动幅值无量纲化,发现轴频及叶频处各测点压力脉动系数随转速的变化规律存在差异性,但各测点压力脉动系数的平均值却几乎不受转速影响,并且各测点在整个低频段(0~4 f_(BPF))的压力脉动能量平均值亦随转速变化不显著,表明压力脉动系数和能量平均值可作为衡量泵动态特性的参数;流量对泵动态特性影响显著,从0.6Q增加至1.3Q,各转速下泵压力脉动能量平均值呈先减小再增大趋势。     

基于DES的离心泵内部瞬态流动数值研究

为了阐明变工况运行条件下离心泵内部瞬态流动特性,评价其瞬态水力性能及其压力脉动特性,提高离心泵的运行稳定性,基于DES分离涡模型,在小流量、额定流量和大流量工况下对泵进行了性能预测和数值模拟。与试验结果比较发现,性能预测结果和试验结果吻合较好,额定工况下泵内部流动参数梯度变化均匀。在此基础上,在泵内部设置p1～p9压力脉动监测点,通过对监测点的压力脉动时频分析,表明进口流道p1压力脉动频率与叶频的倍频保持一致,以低频脉动为主;受隔舌结构影响,出口流道p6压力脉动频率的脉动幅值较大,以高频脉动为主。比较叶轮旋转第1～第6圈静压分布和涡量分布规律,第3圈后叶轮内部流动趋于稳定,第6圈后蜗壳内部流动达到稳定,表明离心泵叶轮和蜗壳内部涡团的演化过程非同步。     

水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰现象的流动机理研究*

中高比转速水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰严重制约了其稳定运行范围,是制约抽水蓄能电站安全与经济运行的关键问题之一。作为流动问题的宏观表现,驼峰现象必然与水泵水轮机内部的非定常流动存在密切关系。为此,基于试验和数值模拟,对水泵水轮机泵工况下可调导叶流道内的非定常流动进行研究,探究模型机泵工况下的压力脉动特性、非定流动机理及与性能曲线稳定性之间的关系。结果表明：在设计和小于设计工况下,可调导叶流道内均存在两种显著的周期性压力脉动。模型机泵工况下的流量扬程曲线在0.45~0.75倍设计流量区间内出现驼峰,频域分析清晰地揭示了以上两种压力脉动是对该驼峰存在重要影响的流动参量。     

可逆式水轮机变工况研究

针对抽水蓄能电站稳定性的要求,利用可逆式水轮机水泵工况断电过程中蜗壳出水边的压力始终保持恒定（水轮机工况的水头）,机组转速连续变化这一规律,根据转速的不同来选取不同的工况点。在Fluent软件中,通过变换转轮的边界条件设置,可模拟可逆式水轮机水泵断电过程不同工况点水力变化,计算时采用雷诺时均方程和RNG肛￡湍流模型,压力和速度耦合采用半隐式（SIMPLEC）算法。对可逆式水轮机不同工况点模拟结果进行了分析总结,数值试验结果直观地反映了可逆式水轮机水泵工况断电的不同工况点、叶片表面的压力分布、蜗壳内部的流场漩涡分布、水力损失等,对可逆式水轮机的转轮设计和结构优化有一定的应用价值。     

S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性研究

为研究S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性,采用非定常CFD方法对不同工况时泵装置进行了全流道三维非定常流场数值计算,通过在叶片区设置监测点以获得叶片区关键位置的压力脉动数据,并进行频谱分析。通过与实测泵装置扬程和效率对比,证明该方法能较准确地反映泵装置内部非定常流动特征。研究表明:高效工况和大流量工况时,转轮进口和出口的脉动幅值从轮缘向轮毂侧逐渐减小,小流量工况时未呈现该规律,各工况时转轮进口和出口脉动主频受叶频控制。流量系数KQ在(0.368~0.552)范围内转轮进口处同一监测点的压力脉动幅值随流量增大而降低,转轮与导叶体间的脉动幅值随流量的增加先减小后增大,在高效工况附近脉动相对最小。导叶体出口的压力脉动主频受叶频的影响较小,未与导叶体叶片数成规律。     

汽车冷却水泵小流量工况下非定常空化特性研究

针对汽车冷却水泵的空化问题,对小流量工况下非定常空化特性及其对压力脉动的影响进行了研究。采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri (ZGB)空化模型,对水泵在典型空化状态下的流场进行了数值模拟研究,得到了小流量工况下叶轮内的非定常空化流动特征和空泡的时空演变规律;对蜗壳上的压力脉动进行了频谱分析,得到了不同空化条件对压力脉动的影响;通过泵的空化实验,对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明:随着空化余量的减小,各监测点压力脉动峰的峰值和主频幅值逐渐增大,特别是隔舌位置处的压力脉动变化最为显著;泵内的空泡表现为不对称分布,主要集中在叶片前缘位置以及后盖板靠近叶轮进口位置,并随着空化的加剧,空泡体积分数逐渐增大。     

立式轴流泵装置叶片区压力脉动数值分析

压力脉动是影响轴流泵装置安全稳定运行的重要因素之一,为明确轴流泵装置叶片区压力脉动的变化规律,基于CFD软件对立式轴流泵装置全流道进行三维非定常数值计算,获得了轴流泵装置叶轮和导叶体区域的压力脉动时域数据,分析了最优工况时各监测点压力脉动特性,以及3个特征监测点的压力脉动随流量的变化规律。结果表明:最优工况时,叶轮进口压力脉动幅值从轮缘到轮毂逐渐减小;叶轮出口压力脉动幅值从轮缘到轮毂先减小后增大;导叶体出口处的压力脉动幅值从轮缘到轮毂先增大后减小。叶轮进口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小;叶轮出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大先减小后增大;导叶体出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小。小流量工况时各监测点的压力脉动主频幅值均大于最优工况和大流量工况。计算结果为分析轴流泵安全稳定运行提供了参考。     

混流式水轮机尾水管内部流场的PIV测试

以混流式水轮机尾水管为研究对象,设计构建了用于内部流场激光测量的模型水轮机尾水管试验台,对粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)技术测量水轮机尾水管内部流动的应用进行了实践。试验尾水管测试面由透明的有机材料制成,分别测试了在不同导叶开度下混流式水轮机尾水管的锥管段、肘管段出口、扩散段进出口不同测试位置上的瞬时速度,再通过时均处理,给出了速度、涡量及流线分布。在本试验条件下观察到锥管段内存在着与中心线垂直断面上的环形流动和小开度时子午面内的回流,肘管段和扩散段内产生了二次流,以及扩散段左右部分的流动不对称等现象。试验测量结果不仅加深了对尾水管内流动的理解,同时也为校验数值模拟结果提供了试验基础数据。     

离心泵作透平最佳工况点下的瞬态流动特性分析

为揭示离心泵作透平在最佳工况点下主要过流部件的瞬态流动特性,采用修正的PANS模型对一台比转速为90的离心泵作透平的瞬态流动特性进行数值模拟,通过试验验证数值计算的准确性;根据叶片的进、出口速度三角形计算理论最佳工况点,并对最佳工况下叶栅内部的流动规律进行预测;对蜗壳、叶轮在最佳工况点下的内部瞬态流动特性进行分析。结果表明,叶轮理论进、出口最佳工况点分别为55 m³/h、108 m³/h,实际最佳工况点为80 m³/h;叶片与蜗壳隔舌的动静干涉会促进隔舌前缘旋涡的脱落,当叶轮前缘与隔舌前缘平齐时,蜗壳内压力脉动强度最低;叶栅内旋涡的脱落频率约为2f_n,涡量的演变主要由其输运方程中的拉伸项及科氏力项共同主导;吸力面附近涡量的演变对叶轮前、中部流道内的压力脉动影响较大,而叶片尾缘涡量的演变对叶轮出口处的压力脉动影响较大。研究结果可为提高离心泵作透平在余能回收系统中的运行稳定性提供参考。     

变转速工况下汽车冷却水泵内外特性变化规律

以某汽车冷却水泵为研究对象,通过定常流场模拟和试验得到多转速工况下的外特性曲线,二者有较好的一致性:扬程随转速均匀变大,高效区增宽并向大流量区偏移。通过非定常流场模拟获得了不同转速下流道内流线、径向速度和压力脉动等分布特性,并对比分析了蜗壳和叶轮所受轴向力和径向力的变化趋势。结果表明:流体速度值、压力脉动幅值以及受力等随转速有较大变化,说明该泵长期远离高效区运行,存在较大的运行稳定性隐患和节能优化空间。     

蜗壳式多级离心泵特性及压力脉动研究

为了研究压力脉动在蜗壳式多级离心泵内的级间相互关系,以改变第二、第三级间叶轮的周向位置建立不同方案,利用FLUENT软件,采用SST k-ω湍流模型对蜗壳式多级离心泵的内部流场进行多工况的非定常数值模拟,获得各个方案不同监测点的压力脉动特性,并对其进行对比分析。结果表明:在本研究中,压力脉动的级间叠加现象只发生在第四级叶轮内。即使第四级叶轮处于相同位置时,不同方案下,第四级叶轮及蜗壳内的压力分布也呈明显不同。在发生压力脉动级间叠加的第四级监测点上,压力脉动主频的幅值发生了明显变化,但是主频的频率值却无任何改变。     

离心泵的低频汽蚀脉动现象

以一般工业用离心泵为对象,通过对泵进、出口压力进行动态测试和频谱分析,并对水泵进口管内流场进行可视化观察,弄清了低频汽蚀脉动的出现范围、频率、强度与水泵进口压力、流量、空泡发生形态之间的对应关系。