高比转速混流式水轮机叶道涡工况下转轮的动力特性分析北大核心CSCD

为了探讨叶道涡对混流式转轮叶片的作用机理,以某高比转速混流式水轮机为研究对象,选取出现严重叶道涡的小流量工况点开展转轮的瞬态动应力数值模拟。首先基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型进行了全流道定常和非定常流动计算,得出了转轮内部叶道涡的形态及分布,与实际观测现象非常吻合;然后采用有限元方法对转轮进行了模态分析,获得了转轮在水中的固有频率及振型;最后采用流固耦合方法对转轮进行瞬态动力学分析。研究结果表明:叶片危险部位的动应力的频率为转轮频率的倍频,分布于转轮叶片出口靠近上冠处的局部叶道涡对转轮的作用强度最大,导致叶片出口与上冠连接处的最大动应力值高于一般水轮机转轮的许用应力值,引起转轮该位置发生破坏甚至产生裂纹。     

混流式水轮机转轮区叶道涡压力脉动数值研究

混流式水轮机在偏离最优工况区运行时,不但在尾水管中有明显的旋转涡带,在转轮区也会有涡束沿着叶片流出,我们称之为叶道涡.随着大型混流式水轮机的广泛应用,叶道涡有可能对机组的稳定运行产生影响.本文利用数值模拟技术对某混流式模型水轮机转轮内压力脉动进行研究.研究表明:转轮区的压力脉动主要是由叶道涡诱发的,叶道涡的频率基本等于转动频率.     

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。     

叶道涡产生机理及对水轮机稳定性的影响

本文采用数值模拟和试验研究的方法,探讨水轮机转轮叶片间叶道涡产生的机理;通过强度计算,分析叶道涡区域叶片静应力和频率的变化,分析了叶道涡对水轮机运行稳定性的影响.     

混流式转轮上冠型线变化对水轮机水力性能的影响

为了获得水电站水轮机技术改造中混流式转轮上冠型线变化时水轮机水力性能的变化规律,本文以某混流式水轮机模型转轮为研究对象,在原转轮上冠型线的基础上,提出了四种改型的上冠型线方案,采用CFD方法对不同上冠型线的转轮内部流动特性、能量特性、空化性能及过流能力进行了数值模拟和对比分析。结果表明:上冠型线的适当上抬可以增大转轮的过流能力,并且改善转轮在大流量工况下的能量特性和空化性能;但过高的上冠型线对小流量工况下的叶道涡的位置和强度有负面影响;与原转轮相比,方案4的效率略有提高;小流量工况时,上冠型线越高,叶道涡的位置越靠近叶片头部,且涡的强度越大,从而使转轮效率降低;大流量工况时,上冠型线上抬可能导致叶片进口靠上冠部分出现回流,进而导致压力分布不均匀;上冠型线的改变对最优工况下转轮效率和内部流动特性影响较小;可以为水轮机技术改造中转轮的改型设计与性能预估提供必要的参考。     

混流式转轮上冠型线变化对水轮机水力性能的影响北大核心CSCD

为了获得水电站水轮机技术改造中混流式转轮上冠型线变化时水轮机水力性能的变化规律,本文以某混流式水轮机模型转轮为研究对象,在原转轮上冠型线的基础上,提出了四种改型的上冠型线方案,采用CFD方法对不同上冠型线的转轮内部流动特性、能量特性、空化性能及过流能力进行了数值模拟和对比分析。结果表明:上冠型线的适当上抬可以增大转轮的过流能力,并且改善转轮在大流量工况下的能量特性和空化性能;但过高的上冠型线对小流量工况下的叶道涡的位置和强度有负面影响;与原转轮相比,方案4的效率略有提高;小流量工况时,上冠型线越高,叶道涡的位置越靠近叶片头部,且涡的强度越大,从而使转轮效率降低;大流量工况时,上冠型线上抬可能导致叶片进口靠上冠部分出现回流,进而导致压力分布不均匀;上冠型线的改变对最优工况下转轮效率和内部流动特性影响较小;可以为水轮机技术改造中转轮的改型设计与性能预估提供必要的参考。     

混流式水轮机叶道涡形成分析及抑制研究

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出抑制叶道涡初生和发展的有效措施。研究表明,水轮机转轮不能适应流量较大范围的变化而导致转轮内稳定连续的压力梯度被打破可能是影响叶道涡形成的因素之一。通过压缩转轮流道,采用仿生流线型设计及控制叶片扭曲程度对转轮进行改型,能够有效抑制和推迟叶道涡的初生及发展,为进一步扩大水轮机的稳定运行范围提供参考。     

负荷调节过程中的混流式转轮流固耦合计算

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，有关研究认为转轮工作过程中的动应力值偏大是引起转轮疲劳产生裂纹的主要原因。引起转轮产生动应力的水力原因很多，本文分析了负荷调节过程中的转轮动应力特性。采用Newmark算法，进行了某混流式转轮的瞬态流固耦合计算。计算发现较大应力区与实际裂纹出现的部位基本一致，但最大静应力远小于叶片的极限破坏应力。在负荷调节过程中，叶片应力集中区承受的动应力可达45MPa左右，比以前估计的经验值要大。结果表明负荷调节过程中动应力值过大也是叶片过早产生裂纹的水力原因之一。     

混流式水轮机转轮的涡量场分析

本文利用涡量场和边界拟涡能流BEF（boundary enstrophy flow）,对混流式水轮机转轮叶片进行了性能评价和优化。在转轮三维湍流数值计算基础上,通过控制拟涡能在叶片表面的分布,能够提高转轮最优工况下的水力效率。优化后转轮叶片表面的拟涡能比原型有明显改善,转轮流场的流动状况也明显改善,说明基于涡量场的分析对于混流式水轮机转轮叶片优化能够起到一定的作用。边界拟涡能流BEF能够从能量角度反映流体和固体之间的相互作用关系。     

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。     

大型水轮机转轮叶片改型工艺研究

介绍了大型水轮机叶片出水边用铺焊的方法改变叶片形状、增强叶片强度,避免裂纹的产生。水轮机的转轮在电站运行一段时间后,出水边与上冠、下环焊缝处容易产生疲劳裂纹。通常采用焊接三角筋的方法来补救裂纹的产生。此方法的缺点是三角筋的厚度与叶片的出水边的厚度不一致,在凸凹点处容易产生应力集中,也容易产生裂纹。用铺焊的工艺方法增加厚度、保证出水边圆滑、即避免了裂纹的产生又使打磨后的叶片流线型状良好。     

大朝山水轮机转轮动应力试验研究

开展真机转轮叶片动应力试验研究是解决大型水轮机转轮开裂的关键.对大朝山水电厂6#机组水轮机转轮动应力进行全面的试验研究,分别对机组变转速、变电压和变负荷等稳定工况以及开停机、升降负荷、甩负荷、筒阀动水关闭等瞬变工况下转轮叶片静动应力和振动进行了测量,获得了大量第一手宝贵的试验数据,对真机转轮静动应力的变化规律进行了深入分析与探讨.研究成果对进一步揭示大型水轮机转轮的开裂原因和深入开展混流式水轮机的可靠性研究具有重要意义.图7参3     

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。     

二次整体回火处理混流式水轮机转轮叶片裂纹

本文介绍了浙江省湖南镇水电站水轮机转轮叶片裂纹情况及其处理方法，并分析了叶片发生裂纹的原因。同时还介绍了针对在裂纹处理过程中可能产生的变形问题所做的试验。     

大型风力机叶片模态测试与分析

利用建成的大型风力机叶片的振动特性分析装置,用测力法和不测力法对风力机叶片进行模态试验及分析,测试了风力机叶片的模态参数（固有频率、阻尼和振型）,得到了叶片的振动特性。采用共振法将偏心电机和变频器连成一体作为激励源测试了叶片的固有频率,实验验证了单叶片的危险运行频率。对大型风力机叶片模态试验及分析提供了可靠的实验装置和试验方法,对风力机叶片动力学特性分析提供有力工具。     

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。     

大朝山电站225MW水轮机转轮卡门涡共振分析

分析了云南大朝山电站225MW水轮发电机组运行时发生卡门涡共振,产生金属蜂鸣声及叶片裂纹的原因,经分析处理并取得成功,为大型水轮机的安全运行提供了经验.图4表2     

迪什林水电站转轮动应力测试及裂纹原因分析

开展水轮机转轮动应力现场测试是叶片裂纹原因分析的重要手段之一。由于轴流转桨式水轮机转轮结构复杂,开展转轮叶片动应力现场测试的难度也相对较大。本文针对Tishrin水电站轴流转桨式水轮机转轮叶片裂纹问题,对其2号机进行了全面的转轮动应力和机组稳定性试验研究,介绍了Tishrin水电站轴流转桨式水轮机转轮动应力现场试验的试验方法及有关试验结果,对转轮叶片产生裂纹的原因进行了分析探讨。本文是国内外首次成功开展大型轴流转桨式水轮机转轮叶片动应力测试,具有一定的科研和应用价值。