基于有限元大型竖井贯流泵轴系强度及稳定性分析

为研究南水北调东线某大型竖井贯流泵装置设计方案轴系结构的稳定性,借助Ansys Workbench多物理场计算平台,基于CFD数值模拟和FEM有限元计算,对泵装置三维内部流场及轴系结构场进行了联合求解,研究了不同工况下贯流泵装置轴系的静力学特性。结果表明,随着扬程的增加,叶片两侧压差、轴系最大等效应力及最大位移增大,轴系最大应力集中位置由轴承与泵轴连接处变化到叶片与轮毂连接处,总变形沿轮毂到轮缘方向逐渐变大,其中叶轮轴系在设计扬程下最大等效应力为66.411 MPa,最大位移1.667 3 mm;对比泵轴直径、长度、支撑位置等变量参数发现,轴的直径是影响贯流泵装置轴系强度稳定性的主要影响指标,随着最大等效应力和最大位移值随泵轴直径增大1.1倍,分别减小了28.42%、34.86%;泵轴最优直径为0.346 5 m,推力轴承与泵轴连接处疲劳安全系数2.214 9为最小值,满足安全稳定的要求,对推力轴承与泵轴连接处和叶片与轮毂连接处进行加厚处理有利于提升机组稳定性。研究结果可为贯流泵装置水力设计和轴系强度分析提供参考。     

阻塞比对潮流能水轮机尾流特性影响数值模拟研究

首先通过对比分析数值模拟结果与水槽实验尾流场速度数据,验证数值模拟的准确性。通过在软件STAR-CCM+中改变水槽宽度的模型,使水轮机阻塞比分别在9.8%、14.7%和29.5%的情况下进行模拟计算,分析潮流能水轮机尾流特性的变化。结果显示,阻塞比的变化不仅会改变水轮机扫略区域外流体速度,影响远尾流恢复速度,还会对尾流的旋转和湍动能分布造成影响;但随着槽宽增加阻塞比减小,其对尾流特性影响逐渐减弱。     

水泵水轮机内部流态特性及预应力模态分析

为研究抽水蓄能电站中水泵水轮机在不同水头下水轮机工况的稳定性,应用ANSYS Workbench平台进行了全流道数值模拟,研究了水泵水轮机的压力脉动机理并开展预应力模态分析,将模拟结果与试验结果对比,验证其可靠性。计算结果表明：额定水头下水泵水轮机流态较好,水流涡带现象与水压力脉动关联紧密,各部件监测点采集到的压力脉动呈现出一定的周期性;压力脉动的主频多为转频及其倍频,转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源;预应力下转轮的固有频率与各部件水力激振频率相差较大,因此发生共振的可能性较小。研究结果对水泵水轮机振动诱因分析及提高运行稳定性具有参考价值。     

大型竖井贯流泵压力脉动及轴系模态优化

为研究某大型竖井贯流泵的稳定性,基于ANSYS Workbench软件对南水北调某泵装置进行全流道数值模拟来研究水泵的压力脉动分布规律和轴系模态。计算结果表明:贯流泵转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现出周期性;压力脉动的主频多为转频和转轮倍频,脉动幅值有随着扬程增大而增大;转轮转动是形成轴向水推力的主要因素,轴向力和径向力随着扬程的增大而明显增大;轴系在水体中固有频率下降幅度较小,干湿模态的高阶频率基本一致;对比非定常计算结果和模态分析结果,与转轮的固有频率差距较大,不容易引起共振,满足结构强度要求;模态优化结果显示,随着主轴直径的增大,轴系各阶的固有频率出现逐渐增大的趋势,而增长主轴长度,各阶的固有频率出现逐渐减小的趋势,同时轴承长度的增长会导致各阶的固有频率随之增大,其中增长轴承长度以及增大轴直径的变化对固有频率的影响更为明显,1阶频率分别增大83%和18%。研究结果为贯流泵装置水力设计和稳定性分析提供一定的参考。     

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.