运西水电站竖井贯流式水轮机性能优化

采用雷诺时均方程(RANS),选择S-A湍流模型,运用SIMPLEC算法,利用CFD数值模拟技术,数值模拟了不同方案的运西水电站水轮机流道内流场,分析了转轮直径、叶片翼型、叶片个数、叶片安放角、转轮轮毂、转轮转速、导叶翼型、导叶轴线与机组中心线夹角、导叶个数、叶片及导叶安装位置、导叶开度对水轮机性能的影响,叶片数为3时水轮机装置性能较优,机组最高效率点分别在转速为187.5r/min、导叶个数为15时出现。对原有流道可改变部件做适当优化后,将优化后的转轮应用于电站进行数值计算,根据全流道的数值模拟结果,预测电站改造后机组的水力性能。根据数值计算的结果制作模型水轮机和真机进行模型试验和真机测试。结果表明,数值模拟结果与模型实验以及现场运行结果曲线的变化趋势一致,数值模拟结果基本能够准确反映电站的外特性和内部流场特征。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。     

微型低比转速混流式水轮机的 水力特性分析

本文介绍了一种由冷却塔中冷却循环水驱动的微型水轮机。该机流量限于循环水流量、功率限于风机功率、水头依赖流量与功率;其蜗壳平面尺寸小,不设导水机构,转轮流道狭长。为了解该水轮机的水力特性,采用数值模拟与试验相结合的方法对其进行研究。研究表明：对于同一水轮机,其内流场特性表现出相似性,能量和压力脉动等水力特性也表现出相似性,水力效率相等,水力损失相等。该水轮机的水力效率较低,水力损失较大,其水能主要损失于引水部件,其次是转轮;由于引水部件距离转轮近,其固定导叶叶道的水力振动幅度达到10%以上。     

基于熵产理论的水泵水轮机反S区水力损失机理分析

水泵水轮机在水轮机工况运行时易进入反S不稳定区,影响机组的安全稳定运行。传统压差法在计算水力损失时不能获得损失的具体分布和详细来源,因此水泵水轮机在反S区水力损失机理仍有待深入研究。本文采用雷诺时均方法对某原型抽蓄电站水泵水轮机在活动导叶开度分别为12°和35°下的反S区运行工况进行了数值模拟,基于熵产理论对各个过流部件和不同类型的水力损失进行了定量分析,并结合流场分布情况进一步明确了水力损失的分布特点和产生原因。结果表明,水泵水轮机进入反S区会引起导叶段水力损失占总水力损失的比例逐渐增大,而转轮段水力损失逐渐减小。在不同类型的能量损失中,湍流熵产占据主导,壁面熵产次之,直接熵产最小。随着水泵水轮机进入深度反S区,转轮区湍流熵产损失较大区域从转轮进口的叶片压力面转移到转轮出口叶片吸力面。水泵水轮机位于反S区时,转轮对水流做功输入能量,使无叶区总压大幅上升,活动导叶开度增大会显著增大无叶区水流能量幅值。     

不同导叶参数对混流泵水力性能的影响

为探求不同导叶参数对混流泵水力性能的影响,以比转速为438的模型泵为研究对象,在模型试验验证的基础上,采用计算流体动力学方法,以常规导叶设计为基础,在保持其他参数不变的情况下,分别数值模拟计算了4种不同导叶叶片数方案和7种不同导叶片扫掠角度方案的混流泵段水力性能。数值模拟结果表明:改变导叶叶片数对混流泵段外特性影响明显,不同流量下存在不同的最优叶片数,小流量工况运行时,应适当增加叶片数,大流量工况运行时,应适当减少叶片数;不同导叶片扫掠角度对大流量区域影响显著,不同流量存在不同的最优导叶片扫掠角度且随着流量的增大从-16°逐渐偏向+24°;在流量为510 L/s时,计算扫掠角度范围内对效率的影响达5.5%。     

Numerical predictions of pressure pulses in a Francis pump turbine with misaligned guide vanes

Previous experimental and numerical analyses of the pressure pulse characteristics in a Francis turbine are extended here by using the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport （SST） turbulence model to model the unsteady flow within the entire flow passage of a large Francis pump turbine with misaligned guide vanes at the rated rotational speed. The S-curve characteristics are analyzed by a combined use of the model test and the steady state simulation with the aligned guide vane firstly. Four misaligned guide vanes with two different openings are chosen to analyze the influence of pressure pulses in the turbine. The characteristics of the dominant unsteady flow frequencies in different parts of the pump turbine for various misaligned guide vane openings are investigated in detail. The predicted hydraulic performance and the pressure fluctuations show that the misaligned guide vanes reduce the relative pressure fluctuation amplitudes in the stationary part of the flow passage, but not the runner blades. The misaligned guide vanes have changed the low frequencies in the entire flow passage with the change of the pulse amplitudes mainly due to changes in the rotor-stator interaction and the low frequency vortex rope flow behavior.     

叶片包角对高比转速离心泵水力性能的影响研究

高比转速离心泵流道宽大,包角的大小将直接影响其水力性能。基于N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对5种不同的叶片包角模型在多种工况下分别进行了数值模拟计算分析,以对不同包角下的外特性变化趋势、叶轮内部的三维流线以及湍动能变化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着叶片包角的增大,离心泵的最高效率点表现为先增加后减小,扬程随着流量的增大而下降,当包角增大到一定限值时,下降的幅度最为明显;(2)离心泵叶轮流线在相同的流量下,随着叶片包角的增大,流线愈发平顺光滑且越趋于叶片线型时,叶轮的总压随包角的增大而逐渐减小;(3)在设计工况下,低速区主要集中在叶轮进口的叶片工作面处,随着叶片包角的增大,湍动能逐渐减小;(4)当叶片包角在110°附近时,该泵的水力性能即达到最优。研究结果可为今后对高比转速离心泵的研究提供一定的参考。     

Design and development of guide vane cascade for a low speed number Francis turbine

Guide vane cascade of a low speed number Francis turbine is developed for the experimental investigations.The test setup is able to produce similar velocity distributions at the runner inlet as that of a reference prototype turbine.Standard analytical methods are used to design the reference turbine.Periodic walls of flow channel between guide vanes are identified as the starting profile for the boundary of the cascade.Two alternative designs with three guide vanes and two guide vanes,without runner,are studied.A new approach,for the hydraulic design and optimization of the cascade test setup layout,is proposed and investigated in details.CFD based optimization methods are used to define the final layout of the test setup.The optimum design is developed as a test setup and experimental validation is done with PIV methods.The optimized design of cascade with one guide vane between two flow channels is found to produce similar flow conditions to that in the runner inlet of a low speed number Francis turbine.     

Numerical simulation of hydraulic force on the impeller of reversible pump turbines in generating mode

The hydraulic force on the reversible pump turbine might cause serious problems(e.g., the abnormal stops due to large vibrations of the machine), affecting the safe operations of the pumped energy storage power plants. In the present paper, the hydraulic force on the impeller of a model reversible pump turbine is quantitatively investigated through numerical simulations. It is found that both the amplitude of the force and its dominant components strongly depend on the operating conditions(e.g., the turbine mode, the runaway mode and the turbine brake mode) and the guide vane openings. For example, the axial force parallel with the shaft is prominent in the turbine mode while the force perpendicular to the shaft is the dominant near the runaway and the turbine brake modes. The physical origins of the hydraulic force are further revealed by the analysis of the fluid states inside the impeller.     

基于熵产理论的竖井贯流泵流动损失特性

为了研究竖井贯流泵流动损失特性,基于URANS方法,采用FBM-CC湍流模型对竖井贯流泵内部流场进行了非定常计算,并利用熵产理论对不同流量工况下竖井贯流泵各部件的流动损失特性进行了定量分析。结果表明:FBM-CC湍流模型能够有效预测竖井贯流泵水力性能,与试验结果较为吻合;竖井贯流泵流动损失从大到小依次为叶轮段、出水流道、导叶体、进水流道;叶轮段能量损失的主要来源是湍流耗散,其熵产比率最高可达92%;涡流和流动分离导致出现局部高熵产区域;临界失速工况叶轮轮毂处存在大量涡流,轮缘处流动相对较稳定;深度失速工况受叶顶间隙泄漏流影响,叶轮进口轮缘处出现流动分离,随着流量进一步减小进水流道流态受到影响,叶片前缘出现分离涡。     

叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究

大型含导叶立式离心泵广泛应用于高扬程远距离调水,旋转叶轮与静止导叶动静干涉引起的无叶区内高幅值压力脉动是影响其稳定运行的关键因素.为研究叶轮与导叶匹配关系对水泵水力特性的影响,对3台模型泵开展能量特性与压力脉动同台对比实验,分别监测了进水流道、无叶区和压水室的压力脉动信号,并进行时域和频域分析.结果表明:泵运行流量越靠...     

Master equation,design equations and runaway speed of the Kaplan turbine

To make the Kaplan turbine technology comparable to both the Pelton and the Francis turbine,the master equation for the Kaplan turbine has been established by a...     

混流式水轮机叶片疲劳裂纹分析及其改进方案

近年来,国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题,对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以混流式水轮机为研究对象,通过全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算,分析该转轮产生疲劳裂纹的原因。随后提出在叶片出水边和上冠连接处加装应力释放三角块的方案,以降低叶片最大有效应力值、改善叶片应力分布。计算结果表明该方案可以明显降低叶片最大有效应力、改善叶片应力分布。计算结果也可为其它水轮机转轮的疲劳裂纹及其应力特性分析提供参考。     

用正交法研究短叶片对水轮机空化性能的影响

为了研究短叶片各设计参数对混流式水轮机空化性能的影响,选取短叶片数、长短叶片包角比值以及短叶片周向偏置角3因素,制定了L16(43)正交试验方案,对每个试验方案进行数值模拟,得出影响空化性能的各因素主次顺序;水轮机性能最优情况下,短叶片的最佳参数为:叶片数为11,长短叶片包角比值为0.65,周向偏置角为8°。对最佳配置方案在设计工况点的数值模拟结果分析表明:其空化性能优于该型号常规转轮正常运行时的空化性能。     

超低水头竖井贯流式水轮机模型试验

为研究超低水头下竖井贯流式水轮机的能量特性和空化特性,对一种额定水头为2.10 m的超低水头竖井贯流式水轮机进行模型试验。基于河海大学水力机械多功能试验台,采用压差传感器、电磁流量计、扭矩仪等仪器对不同导叶开度、不同叶片安放角下GD-WS-35型水轮机的水头、流量和扭矩等参数进行测试,并绘制了水轮机模型综合特性曲线。试验结果表明:当叶片安放角为23°,导叶开度为65°时,在额定水头2.10 m条件下,模型水轮机的流量为0.398 m3/s,效率为83.34%,出力为6.838kW,对应原型水轮机的流量为9.96m3/s,效率为85.14%,出力为174.7 kW,水轮机具有良好的能量特性;当叶片安放角为23°,导叶开度为65°时,水轮机具有良好的空化性能。     

混流式水轮机叶片强度计算及其应力特性改善

近年来，国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题，对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以一混流式水轮机为研究对象，通过混流式水轮机全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算，分析该转轮产生疲劳裂纹的原因；其次通过在叶片出水边和上冠连接处加应力释放三角块来降低叶片最大有效应力值和改善叶片应力分布。结果表明应力释放三角块可以明显降低叶片最大有效应力和改善叶片应力分布。本文计算结果可为其它水轮机转轮的转轮疲劳裂纹分析及应力特性改善提供参考。     

水泵叶轮直径对低扬程泵装置水力性能的影响

采用数值计算的方法,分别计算了具有不同水泵叶轮直径的立式轴流泵装置和灯泡贯流泵装置的流道水力损失,比较了水泵叶轮直径对流道水力损失的影响;根据叶片泵的相似律,分析了在一定设计流量条件下水泵叶轮直径与nD值的关系以及对水泵选型设计的影响。结果表明：选取较大的水泵叶轮直径将显著提高流道效率和泵装置效率;＂增径降速＂与降低nD值是一致的;在泵装置扬程较低的情况下,选取较小的nD值便于选用到水力性能较好的轴流泵水力模型。     

土的最大干密度和最优含水率快速测定法

对快速击实试验研究成果进行了总结,并介绍了应用快速击实试验研究成果的经验.不论是重型击实还是轻型击实,也不论击实试验所给定的击实功能多大,应用"一点法"或"快速法"击实试验原理,对土料都有一定要求."一点法"击实试验与快速击实试验所用土体的比重在2.67～2.73之间,当被测土样的比重超越此范围时,在绘制击实曲线时可适当偏离ρdmax计算值的点,但这个误差是很小的,通常ρdmax的影响在±0.01 g/cm3以内,而对ωop的影响在±0.5%以内.结合工程实例,对击实试验成果的简化校正作了详细介绍.     

管道汇流口局部阻力试验研究

通过试验研究并结合水动力学原理,在分析汇流口独特水力特性及能量损失机理的基础上,提出了适用于任意角度汇流管路分析计算的局部能量损失系数的普遍表达式。分析了交汇角、流量比(支管流量／合流量)及面积比(支管面积／主管面积)等因素的影响规律,并对各影响因素进行了分析比较。研究结果表明,管道汇流口水流的局部能量损失,必须考虑汇入断面上支流沿下游主流方向的动量分量和主支流间相互掺混引起的附加摩擦阻力的影响。局部能量损失系数随交汇角、流量比增加而增加。当流量比较小时支流的局部水头损失系数出现负值,而当流量比较大时主流的局部水头损失系数出现负值。分离区内外压强差随交汇角增大而增大,随流量比的增大先增大后减小。     

水泵水轮机导叶间不同周向偏距对水力效率的影响研究

通过三维定常数值模拟方法,分析混流式水泵水轮机导叶间不同周向偏距RCP对水力效率的影响研究。选取9种不同的周向偏距RCP,对4种不同工况的计算,得到周向偏距RCP对水泵水轮机各工况效率影响规律。考虑机组设计工况和非设计工况下机组性能,周向偏距RCP在0-4/18之间比较合理。周向偏距RCP的变化引起水力效率下降的因素为:造成活动导叶出口处速度分布不均匀,进而活动导叶出口后的过流部件流速分布不均匀使得损失增大,导致水力效率降低。